T1611.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE
CONTROL DE NIVEL EN TANQUES ACOPLADOS
TESIS PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE
INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
Marco Vinicio Soria Mora
Quito, Junio, 2000
CERTIFICACIÓN
Certifícamos que el presente trabajo fue realizado en su
totalidad por el señor Marco Vinicio Soria Mora
;r. J/uis Corrales P.
DIRECTOR
ig. Marco baríap
CO-DIRECTOR
AGRADECIMIENTO
A Dios por haberme concedido la vida para culminar mis metas.
A mi madre por ser el pilar de mi vida.
A mis profesores, que han sabido ser mis guías y consejeros.
A todas aquellas personas que de una u otra forma han colaborado para la culminación
de este trabajo.
ÍNDICE
Página
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
i
1.1 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE LÍQUIDOS
3
1.2 MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS
.5
1.2.1 Detección de nivel por variación de capacidad
6
1.2.2 Detección de nivel por flotadores
9
1.3 ADQUISICIÓN DE DATOS POR COMPUTADOR
12
1.3.1 Manejo de la adquisición de datos
13
1.3.2 Interfaz hombre-máquina (MMI)
17
1.4 TARJETA Y SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS
19
1.4.1 Sistemas disponibles de adquisición de datos
19
1.4.2 LabVIEW 5.0
21
1.4.3 Tarjeta de adquisición de datosLab-PC-1200
23
] .5 CONTROL DE NIVEL DE LÍQUIDOS PROPUESTO
27
CAPITULO 2
DISEÑO DEL MÓDULO DIDÁCTICO
29
2.1TRANSDUCCION
32
2.1.1 Diseño del sensor capacitivo
32
2.1.2 Diseño del acondicionador para el sensor capacitivo
37
2.1.3 Diseño de los acondicionadores para los sensores de
2.2 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
flotación
44
45
2.2.1 Fuentes de voltaje para transducción
45
2.2.2 Fuentes de voltaje para actuación
47
2.3 SISTEMA DE CONTROL
48
2.3.1. Sistema de adquisición y manejo de datos
48
2.3.2. Diseño de la interfaz hombre-máquina (MMI)
50
2.3.2.1. Interfaz de inicio
52
2.3.2.2. Lnterfaz de selección
53
2.3.2.3. Interfaz de control de nivel en un tanque
55
2.3.2.4. Interfaz de control de nivel en tanques acoplados
61
2.3.2.5. Panel de conversión de voltaje a nivel
66
2.3.2.6. Calibración del sistema
70
2.3.2.7. Interfaz de animación
71
2.3t.2.8. Tnterfaces de información
73
2.3.2.9 Características complementarias del programa
74
2.4 SISTEMA DE ACTUADORES
75
2.4.1 Bombeo de líquido
75
2.4.2 Extracción de líquido
77
2.5 DISEÑO DEL MODULO DE ACONDICIONAMIENTO
2.5.1 Esquema general del módulo
79
79
Diagrama del circuito de alimentación y actuación
80
Diagrama del circuito de transducción
81
2.5.2 Diseño del circuito impreso y distribución física
2.6 ELEMENTOS ADICIONALES
82
83
CAPITULO 3
PRUEBAS Y FUNCIONAMIENTO DEL MODULO
DIDÁCTICO
85
3.1 PRUEBAS PREVIAS
85
3.1.1 Pruebas del sensor capacitivo
85
3.1.2 Pruebas con distintos niveles de acoplamiento entre tanques
87
3.1.3 Pruebas del generador de frecuencia
88
3.2 CALIBRACIÓN DEL SISTEMA
89
3.2.1 Calibración del generador de ondas
90
3.2.2 Calibración del conversor de frecuencia a voltaje
91
3.2.3 Calibración del programa de control
92
3.3 MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MODULO
3.3.1 Pruebas del control de nivel en un tanque
97
97
3.3.2 Pruebas del control de nivel en tanques acoplados
100
3.3.3 Consideraciones sobre el funcionamiento
102
CAPITULO 4.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
ios
4.1 CONCLUSIONES
105
4.2 RECOMENDACIONES
108
APLICACIONES DIDÁCTICAS DEL MODULO
109
4.2.1 Control de nivel en un tanque
110
4.2.2 Control de nivel en tanques acolados
110
4.2.3 Adquisición, de datos por computador
1.11
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
En el amplio campo de la instrumentación electrónica industrial, son innumerables las
ocasiones en que el principal requerimiento de un sistema es encontrar el valor de una
determinada variable física, que es parte integrante del mismo y de la cual se debe
disponer la información necesaria para su manejo. Estas variables pueden ser peso,
volumen, densidad, concentración, temperatura, presión, entre otras. El presente
trabajo de tesis se enfocará en la detección y medición del nivel de un líquido dentro
de un sistema físico de tanques acoplados.
En el proceso de aprendizaje dentro de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Escuela
Politécnica Nacional se incluye el conocimiento de los sistemas de transducción, de los
sistemas de medición industrial, de la adquisición de datos, y el control industrial
mediante los sistemas computacionales. El presente trabajo integra estos ámbitos en la
construcción de un solo módulo que emplea las bases de dichos conocimientos para su
funcionamiento. El objetivo fundamental es controlar la altura a la que se encuentra
una cierta cantidad de líquido, que en el trabajo será el agua potable, y lograr
visualizarla en la pantalla de un computador a través de una interfaz hombre-máquina
(MMI), así como también proporcionar una herramienta útil para posteriores
demostraciones en el proceso de aprendizaje dentro del pensum de estudios de la
Facultad de Ingeniería Eléctrica.
Se procederá entonces a diseñar y construir un módulo didáctico en base a una
infraestructura ya existente, y que" formará parte integral del laboratorip de
Instrumentación Industrial. En este modelo se aplicarán los principios requeridos para
lograr un control sobre la variable ya descrita procurando dotar de herramientas de
aprendizaje a los estudiantes de control e instrumentación.
Por requerimientos específicos en el laboratorio de instrumentación, los limitantes que
se manejarán en el presente trabajo de tesis serán: la utilización de un sensor de tipo
capacitivo para captar el nivel de líquido. Obtener una señal que deberá ser tomada a
través de la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 de la casa National
Instruments conectada en un computador y manejada por el software
de
instrumentación virtual LabVIEW 5.03 del mismo fabricante. El control del nivel del
líquido se hará
en un par de tanques acoplados mediante diferentes aberturas
dispuestas para el efecto.
La infraestructura ya disponible cuenta con sistema de bombeo, sistema de extracción
de líquido, sensores capacitivos de nivel y sensores de nivel de seguridad. Todos los
elementos indicados deberán resultar en una planta útil para las prácticas en las
distintas áreas involucradas.
El presente trabajo escrito describe todos los conocimientos teóricos y prácticos
involucrados, así como las experiencias encontradas,
estructurados de la siguiente
forma:
Capítulo 1: Aquí se exponen los conceptos fundamentales sobre el control del nivel de
líquidos, se enfocan los criterios teóricos sobre los sensores capacitivos existentes en el
mercado y los empleados; se describe la técnica de adquisición de datos por medio de
una tarjeta especializada en esta tarea y el sistema que se propone como solución. En
resumen, provee los fundamentos teóricos de los dispositivos incluidos en el módulo
didáctico.
Capítulo 2:
Se dedica al diseño y justificación de los dispositivos eléctricos y
mecánicos que conforman el módulo. Se analiza cada etapa en torno a los criterios
empleados en la construcción y las experiencias obtenidas en su desarrollo. Se describe
la estructura del programa de control basado en LabVTEW y su funcionamiento. Aquí
se reseñan también las pruebas realizadas a los sensores, en sus etapas de diseño y
construcción, hasta la obtención del módulo finalmente implementado.
Capítulo 3: Indica las pruebas y análisis realizados al conjunto finalmente estructurado.
Se explican los modos de funcionamiento del módulo, así como del sistema de control
y adquisición de datos.
Capítulo 4: Se destina a la presentación de las conclusiones obtenidas en el desarrollo
del presente trabajo de tesis. Incluye el formato estructurado para la realización de las
prácticas de laboratorio, de acuerdo a los programas educativos y requerimientos de
enseñanza que se pueden satisfacer con el módulo de pruebas construido.
En los anexos del trabajo se pueden hallar los planos generales tanto eléctricos como
mecánicos, listado de elementos y la información adicional considerada como aporte a
la comprensión del proyecto.
1.1 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE LÍQUIDOS.
De manera macroscópica se clasifica a la materia en sólidos y fluidos. Fluido es toda
materia capaz de fluir, esta puede ser líquida o gaseosa, que se diferencian
principalmente en sus coeficientes de compresibilidad.
Se define como líquido a un estado de la materia en el cual las moléculas de ésta se
encuentran relativamente libres respecto a las del estado gaseoso, pero se hallan
restringidas por la fuerza de cohesión que mantiene un volumen prácticamente fijo.
Los líquidos tienen la propiedad de tomar la forma del recipiente que los contiene; por
tanto, no se puede considerar una forma geométrica definida para su masa, pues variará
de acuerdo al recipiente en que se halle confinado. Esta verdad física es evidente en las
observaciones cotidianas y se empleará para conocer el volumen de líquido requerido
en el sistema de control implementado.
-3-
La presión de un líquido es la fuerza actuante en una unidad de área, es un esfuerzo
multidireccional y uniforme sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Debido a
esto se puede lograr el paso de líquido desde un tanque a otro a través de aberturas, al
emplear el principio de los vasos comunicantes, como se hace en este trabajo.
Flujo es el movimiento de un fluido; si se halla confinado a un camino determinado es
susceptible a ser medido por distintos métodos, uno de los cuales es indicado en el
presente trabajo de tesis como un aporte adicional.
En la teoría de la hidrostática existe el principio de los vasos comunicantes. Según este
principio el nivel de un líquido llega a la misma altura, en todos los segmentos del
recipiente que los contiene, independientemente del número de vasos o de la forma que
estos tengan, siempre y cuando estos segmentos estén conectados.
Figura 1.1 Principio de vasos comunicantes
Este es el principio fundamental empleado en el presente trabajo para llegar a controlar
el nivel de uno de los tanques a partir de la cantidad de líquido que se lleva hacia el
otro tanque.
o O O
:>OO
Figura 1.2 Módulo de tanques acoplados
-4-
Como se puede apreciar en la Figura 1.2, el conjunto se halla acoplado en la parte
inferior de la pared lateral común; a través de cierto número de aberturas de distintos
diámetros, que pueden permanecer abiertas o cerradas empleando sus respectivos
tapones de caucho.
1.2. MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS.
La variable nivel de líquido se considera como un factor determinante en refrigeración,
disolución de mezclas, almacenamiento de combustibles y muchos procesos químicos.
Para poder determinar el valor de esta variable se debe recurrir a algún sistema de
medición que provea la información necesaria para determinar el valor de la misma.
Este sistema de medición puede recurrir a muchas técnicas, desde la simple apreciación
visual hasta complejos sistemas de transducción dependiendo del ambiente y la
aplicación que se esté desarrollando. Estas técnicas se basan en principios físicos,
químicos o eléctricos y algunas emplean sensores o transductores que convierten la
magnitud de la variable en una señal manejable por un sistema de medición' o un
sistema de control electrónico.
Los métodos más empleados en la medición del nivel de líquidos se pueden dividir
principalmente por su modo de actuación: directa o indirecta. A continuación se
nombran algunos de los métodos clasificados por su modo de actuación.
MÉTODOS DIRECTOS
Medición directa con apreciación visual
Medición por flotadores
Medición por efecto fotoeléctrico
Medición por dispositivos sónicos
MÉTODOS INDIRECTOS
Métodos Mdrostáticos
Medición por transferencia calórica
-5-
Medición por variación de conductividad
Medición por nivel de radiación
Medición por variación de capacidad
Uno de los requisitos en la construcción del módulo didáctico es la utilización de
sensores de tipo capacitivo; por tanto, a partir de este punto se enfoca más la teoría y
las técnicas que incluye este tipo de transductor.
1.2 .1 DETECCIÓN DE NIVEL POR VARIACIÓN DE CAPACIDAD.
Conociendo que el funcionamiento de los transductores se basa en el cambio de ciertas
magnitudes físicas, se describe a continuación el principio de transducción empleado en
el módulo, el capacitivo. Este convierte un cambio del nivel del líquido en un cambio
de capacidad. Puesto que un capacitor básicamente se compone de dos placas
metálicas y un dieléctrico, se puede cambiar la capacidad por variación de uno de estos
elementos o de ambos como se muestra en la Figura 1.3.
AC
1 @/ M
__i
l__
7/
/
/
/
¿
/
X
/
/
/
/
/y
/
/
/
(b)
Figura 1.3 a)Armadura móvil
— '<,
-.'
J
-
/
a.
b)Armaduras fijas
Para lograr una capacidad variable de acuerdo al nivel del líquido en un recipiente son
muchas las técnicas que se emplean, se pueden emplear distintas configuraciones para
obtener dicha variación de capacidad como son:
Sensor de armaduras planas
Para la construcción de este tipo de sensores se debe considerar que la capacidad entre
dos placas paralelas se obtiene mediante la ecuación que se muestra en la Figura 1.4:
-6-
c=
k A
[pF]
11,3 d
Figura 1.4 Capacitor de placas paralelas
Donde:
A es la superficie de la placa en centímetros cuadrados (cm2),
d es la distancia entre las placas, en centímetros (cm); y,
K es una constante en picofaradios sobre centímetro (pF/cm).
En un sensor de este tipo se pueden tener dos variaciones; se permite el ingreso del
líquido en el espacio entre las placas de acuerdo a la altura de éste (Figura 1.5.a), o se
cambia la distancia entre las placas manteniendo el mismo dieléctrico (Figura 1.5.b).
Acondicionador
Acondicionador
Placas
Placas
(a)
(b)
Figura 1.5 Sensores capacitivos de placas planas
Sensor de armaduras coaxiales
Este tipo de sensor consta de dos cilindros metálicos estructurados en un mismo, eje y
su capacitancia está dada por la expresión mostrada en la Figura 1.6.
L
c=
24,5 k
log D/d
Figura 1.6 Capacitor cilindrico
—7—
L
[pF]
Donde los valores de los diámetros D y d están en centímetros (cm), la longitud L en
metros (m) y la constante K en picofaradios sobre metros (pF/m).
Estos sensores pueden tener dos configuraciones: con dieléctrico variable y con
distancia entre placas variable. En ambos casos la colocación del sensor es de forma
vertical.
En la configuración de dieléctrico variable se permite el ingreso del fluido a ser sensado
de manera que se crean dos fases de dieléctricos, la fase del aire y la del líquido, como
se indica en la Figura 1.7.a. Así se obtiene una capacidad variable de acuerdo a la
altura que se tenga en el tanque y la capacidad total es la suma de las capacidades que
se forman con los distintos dieléctricos:
c=c
0
+r
° Dieléctrico I ~ ^Dieléctrico
Dieléctr 2
r^ Dieléctrico!
= C 1 + C2
C = C aire + C líquido
C
d2
(b)
C
Figura 1.7 Sensores de armadura coaxial
También se tiene la configuración coaxial con cambio de distancia entre las placas. Esta
se emplea cuando el líquido a ser medido es conductivo, como es el caso del agua
potable debido a las sales que tiene disueltas. En estos sensores, esquematizados en la
Figura 1.7.b, se recubre una de las placas con un material dieléctrico fijo a la placa y
que no permite el contacto con el fluido, dejando a la otra placa libre. Cuando el
líquido ingresa al sensor envuelve a la placa libre creando una placa conductiva de
mayor diámetro, lo que disminuye la distancia entre las placas en este espacio.
Sensor de electrodos capacitivos
Este tipo de sensor se emplea cuando se trabaja en líquidos que poseen una constante
dieléctrica alta, se puede emplear un solo electrodo capacitivo si el líquido se halla
contenido en un recipiente metálico.
L-ICOLIUUUO
Acondicionador
c aoacitivos
'
'
'
'
/
f
Tanque
metalice
'
/
—'
(a)
...
Acondicionador
tí
"""
(b)
;^^
iI
,=>:VoV
- .^>r^~
Figura 1.8a) Sensor de doble electrodo b) Sensor de un solo electrodo
Hasta aquí se han descrito los principios de transducción capacitivos que se emplean en
la construcción de sensores de este tipo.
Debido a que se emplearán un par de sensores de flotación para proveer la información
sobre los puntos máximos que puede alcanzar el nivel de líquido en cada tanque, a
continuación se detalla el principio de funcionamiento de los mismos.
1.2.2 DETECCIÓN DE NIVEL POR FLOTADORES.
Estos dispositivos se basan en el uso de un cuerpo sólido y hueco con peso específico
menor que el del líquido a ser medido.
Se pueden clasificar en instrumentos de
acoplamiento directo, cuando su movimiento se transmite a un indicador directamente,
o acoplamiento indirecto, cuando el movimiento se convierte en otro tipo de señal:
magnética, hidráulica o eléctrica, y luego se lleva al indicador respectivo.
Estos instrumentos se pueden aplicar tanto para mediciones continuas como para
mediciones discretas como el caso del interruptor de flotación que se emplea en
detectar el nivel máximo en el módulo didáctico. Un par de flotadores colocados en
-9-
cada tanque cierran sus contactos internos, mediante un campo magnético, cuando el
líquido llega al nivel requerido y eleva el flotador móvil del que dispone el interruptor.
Contactos
abiertos
Contactos
cerrados
Flotador
Figura 1.9 Sensor discreto de nivel con flotador
Como se observa en la Figura 1.9, en la posición normal el sensor mantiene sus
contactos abiertos, al subir el nivel del líquido el flotador se eleva hasta llegar a la
posición horizontal, donde actúa el campo magnético sobre los contactos cerrándolos.
Este cierre de los contactos se emplea como una señal que recibe el resto del sistema
de control para su utilización posterior.
El funcionamiento puede ser también manteniendo siempre los contactos cerrados y
detectar el cambio cuando estos se abren.
Complementariamente
a lo expuesto hasta aquí, para la implementación de un
determinado método de medición de nivel de substancias líquidas se deben tomar en
cuenta otros aspectos como:
1. Características propias del líquido a ser sensado.
2. Factibilidad física y mecánica para la colocación de los sensores.
3. Costos y requerimientos particulares
Debido a la presencia de distintas sales disueltas en el agua potable esta se convierte en
un líquido conductivo, por tanto no se puede emplear al sensor capacitivo empleando
la técnica de distintas capas de dieléctrico (Figura 1.7.a) sino que se debe optar por el
método de variación de distancia entre placas (Figura 1.7.b) que se detallará en un
numeral siguiente. Esta propiedad del líquido no influye en ningún aspecto sobre el
-10-
funcionamiento del sensor de flotación, por tanto no causa ningún impedimento--en su
utilización.
Otra propiedad a considerar en los líquidos es la viscosidad, pues uno de sus efectos es
que el fluido se adhiere a las paredes del elemento sumergido. Esto podría ocurrir al
introducir verticalmente un sensor capacitivo como se muestra en la Figura 1.10.
Nivel de error
Nivel real
Figura 1.10 Efectos de la viscosidad
Al tener esta adhesión del líquido a las paredes del sensor, se pueden realizar lecturas
erróneas del nivel del líquido, lo que afectaría el funcionamiento del resto del sistema.
Es una ventaja, en el módulo, el uso de agua potable que tiene un coeficiente de
viscosidad muy bajo, con lo que la adhesión a las paredes del sensor capacitivo es
mínima y se puede despreciar.
Como segundo punto se debe considerar la facilidad de colocar un sensor en el sistema
a ser medido y sus características físicas. Por razones didácticas, los sensores del
módulo se ubicarán verticalmente dentro de los tanques, manteniendo a los sensores de
flotación en posición horizontal.
En cuanto a características físicas de los sensores, estas dependen del fabricante del
cual provengan. En el módulo didáctico, los sensores son construidos en base a las
ecuaciones descritas anteriormente. Los sensores de flotación que se emplean son del
tipo comercial, y disponen de una sola pieza móvil, el flotador.
Finalmente, se debe hacer un análisis del costo que implica la implementación de un
sistema de detección. No siempre la solución que involucra mayor tecnología es la más
-11-
adecuada. En el módulo didáctico se emplean sensores de tipo capacitivos construidos
específicamente para este trabajo de tesis, que se los hizo a un costo bajo y con las
características requeridas. En el caso de los sensores de flotación, se emplean los
disponibles en el laboratorio.
Por otro lado, se usa una computadora para el control del nivel sobre todo con fines
didácticos y de aprendizaje; pues, en la práctica, esto sería realmente un desperdicio de
recursos.
Todo el análisis realizado se centra en el hecho de que el módulo didáctico debe
construirse en base a requerimientos impuestos para el trabajo de tesis.
1.3 ADQUISICIÓN DE DATOS POR COMPUTADOR.
En la actualidad no se puede concebir el desarrollo de la investigación sin el enorme
aporte de las computadoras, cada vez de mayor rendimiento. Los procesos en las
industrias no han podido quedarse a un lado de este desarrollo; al contrario, han
tomado las mejores características de estas máquinas no solo para el desarrollo de los
sistemas industriales sino para que formen parte de los mismos.
Ahora no solo se depende de un grupo de operadores oprimiendo botones o tirando de
palancas, sino también de complejos sistemas interconectados que actúan cada uno en
función de otro y que se hallan comandados por centros donde se dispone de toda la
información de la planta y de los requerimientos de la misma.
Toda esta evolución ha llevado a la industria a un desarrollo que ha dado como fruto
los denominados sistemas de control y de supervisión, que pueden tener control sobre
dispositivos conectados en sitios lejanos al centro de control y proveer información
para satisfacer las necesidades de quien es el objetivo del desarrollo: el ser humano.
Los grandes complejos industriales actuales tienen su confianza depositada en los
sistemas de control manejados por computador, miles o millones de "puntos"
-12-
de
control son leídos, evaluados y manejados en unas décimas de segundo por
computadores destinados para tal efecto.
El mayor escollo que se debió superar para este avance fue el lograr la comunicación
entre el mundo físico real y la información lógica que puede manejarse dentro de los
computadores. La utilización de los convertidores análogo-digitales y los .filtros
digitales dieron un gran paso en lo que con el tiempo se convertiría en la teoría de
adquisición de datos* por computador.
1.3.1
MANEJO
ADQUISICIÓN
DE LA
DE DATOS
POR
COMPUTADOR.
Muchas veces se identifica el término adquisición de datos solamente con el trabajo de
un computador al tomar mediciones, esta es una de las múltiples formas de la
adquisición de datos. No se deben perder de vista avances tecnológicos como los
sistemas multimedia, donde tanto imágenes como sonidos son convertidos en datos
manejables en un computador, estos incluyen su sistema de adquisición; de hecho., el
muy común, útil y, en la actualidad, indispensable ratón no es sino un' sistema de
adquisición de datos de posición.
n
jj—i—i—u^
\J
X
UT
—
Figura 1.11 Sistemas de adquisición de datos al computador
En fin, se encuentran sistemas de adquisición de datos al computador en infinidad de
usos. En el presente trabajo de tesis se empleará el término para definir la manera en
-13-
que se introduce la información sobre el nivel de líquido que se obtiene de los tanques,
a través de una tarjeta específicamente construida para tomar mediciones de voltaje y
aceptar señales lógicas de niveles TTL, con el fin de convertirlas en datos binarios ya
manejables por el computador en que se halle conectada la tarjeta.
Son muchas las industrias que han optado por implementar un sistema computarizado
de control y supervisión, considerando los muchos beneficios que se pueden obtener,
desde la optimización de los recursos hasta la posibilidad de comunicación que en la
actualidad tiene un desarrollo nunca antes visto.
Al optar por un sistema computacional de control es factible encontrar desde los
sistemas sencillos de bajo costo hasta los complejos proyectos que involucran alta
tecnología y por tanto su valor económico aumenta;
desde el punto de vista del
presente trabajo, para la selección de un sistema de control se deben considerar los
siguientes parámetros:
1. Se requiere o no de un sistema de adquisición de datos; y,
2. Se puede escoger entre las distintas soluciones que se encuentran en el
mercado o se debe optar por una solución propia.
En la selección de entre estas opciones es donde actúa el criterio de ingeniería; la
decisión final para la solución de un problema industrial de control se la toma luego de
un análisis no solo técnico sino también de la relación costo beneficio.
Si al continuar con el desarrollo del sistema se opta por un sistema que incluye la
adquisición de datos para un proceso en el funcionamiento de una industria, se pueden
considerar los siguientes pasos para su puesta en funcionamiento:
1. Identificar el tipo de señales de entrada y de salida (e/s).
Al elegir los componentes para el sistema de adquisición de datos se deben
identificar en primer lugar los tipos de sensores y tipos de señales de entrada y
-14-
salida que se estarán empleando, considerando que pueden o no estar ya
instalados en lo que se denomina planta.
Estas señales en un sistema basado en PC incluyen:
Entrada analógica: proveniente de sensores de temperatura, presión, tensión,
voltaje, corriente, acústicos o de vibración, que en los formatos o estándares
industriales pueden entregar señales de 5 a 20ma3 d e O a l O V o d e - 5 a +5V. En
el trabajo se encontrarán dos señales analógicas en el rango de O a 10 V que
representan el nivel de líquido y dos señales analógicas que indican el estado de
los sensores de flotación.
Salida analógica: que se obtendrá desde el computador y se aplicará a la planta de
alguna manera. Este tipo de señal puede ser voltaje o corriente de diferentes
formas de onda, dependiendo de los requerimientos. El módulo didáctico emplea
dos salidas analógicas como señales de control para los actuadores.
Entrada y salida digital: pueden ser de muchos tipos y niveles, generalmente se
tendrán
entradas y salidas (E/S) compatibles con TTL, comunicación serie,
comunicación paralela, comunicación en redes, control de relés.
Temporización de entrada/salida: como entrada/salida de frecuencia, de conteo y
temporización de eventos, medida de ancho de pulso, generación de tren de
pulsos; todas estas, de ser requeridas en el proceso en que se halle funcionando el
sistema de adquisición.
2. Seleccionar el método de acondicionamiento de señal.
La mayoría de los sensores y señales deben acondicionarse antes de conectarse a
un equipo de adquisición de datos. El hardware de acondicionamiento de señal se
usa para: amplificación, aislamiento, filtrado, excitación y rnultiplexación en el
caso de que se tengan un gran número de canales.
-15-
Aquí se pueden optar por todos los recursos posibles, tomando en cuenta
factores como bajo ruido, flexibilidad, robustez, rango de entrada y salida,
velocidad de multiplexación y, evidentemente, los costos.
3. Seleccionar el sistema de adquisición de datos más apropiado.
En este paso se manejan criterios como la precisión, frecuencia de muestreo del
hardware de adquisición, número de canales disponibles para el sistema,
flexibilidad, fiabilidad, capacidad de expansión y tipo de plataforma de
funcionamiento; para determinar cual es el dispositivo de adquisición de datos
más adecuado.
Se encuentran en el mercado dispositivos con innumerables características y
beneficios; es aquí donde juega un papel importante el criterio para seleccionar
los mismos, de acuerdo a la utilización y fiabilidad sobre el valor económico del
sistema. Para el módulo didáctico se empleará la tarjeta de adquisición de datos
Lab-PC-1200 construida por National Instruments, que es la disponible para el
trabajo y debe emplearse necesariamente.
4. Seleccionar los cables más apropiados para la tarjeta y los accesorios de
acondicionamiento de señal
Se debe hacer un análisis sobre el medio en que se desenvolverá el sistema, la
cantidad de ruido que deberá soportar en un ambiente industrial; así se tienen las
dos principales opciones con sus características.
Cables aislados: que brindan mejor aislamiento al ruido y conexión robusta. En el
módulo se emplean estos para el acoplamiento de los sensores capacitivos.
Cables planos; cuyas características son bajo costo, más flexible pero menos
robusto, se hallan inmersos dentro de las conexiones del acondicionador y hacia
la tarjeta de adquisición de datos.
-16-
Estas consideraciones en un sistema industrial deben incluir la existencia de un
tablero de control general, y que las acometidas y conexiones requeridas hacia el
mismo deben considerarse como las más seguras y en lo posible libres de ruido.
5. Seleccionar su software de programación.
Es aquí donde se llega al usuario final del sistema, por tanto deben seleccionarse
los más acertados sistemas de programación. Generalmente se requiere de dos
tipos de software: el de control de la tarjeta y el de la aplicación en sí; pero no se
debe dejar de lado el análisis de la plataforma en que se desenvuelve todo el
sistema computacional, y del sistema de computación del cual se disponga. Los
recursos de la computadora deben seleccionarse basándose en los requerimientos
del software elegido y no a la inversa. En el desarrollo de la presente tesis se
utiliza el software LabVTEW 5.0 de National Instruments, debido a que se
dispone de la licencia para su utilización a nombre de la Facultad de Ingeniería
Eléctrica, instalado sobre una plataforma PC y bajo un entorno de Windows 95.
1.3.2INTERFAZHOMBRE-MÁQUINA (MMT).
En un proceso industrial que involucra sistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos, de
control, de computación y demás, se debe llevar toda la información necesaria hacia
quien finalmente es quien toma las decisiones: un ente humano.
Es verdad que algunos procesos se realizan sin la intervención de un operador, pero el
' resultado final del proceso llegará a satisfacer las necesidades inicialmente indicadas. Es
menester entonces mostrar de alguna forma el desarrollo del proceso o los resultados
del mismo ante quien es el objetivo.
Se crea entonces la necesidad de lograr una comunicación entre la máquina que
desarrolla un proceso y el hombre. Esta fase de comunicación entre estos elementos se
denomina interfaz hombre máquina o MMI por sus siglas en inglés Man Machine
Interface.
-17-
Con esta premisa se desarrollaron muchas herramientas para presentar los datos
resultantes de un proceso al hombre y mantener así su supervisión. Desde las iniciales
luces indicadoras, las sirenas, los botones pulsantes, etc. se ha conseguido llegar a una
representación gráfica mucho más comprensible para un operador; esto es, el monitor
de un computador.
El desarrollo de las computadoras, así como de los lenguajes de programación, han
permitido la evolución de los sistemas MMI de manera que no solo se limiten a la
presentación de información, sino que también sean capaces de monitorear la
adquisición de datos y conducir su utilización; es decir, se ha logrado integrar estos
sistemas para lograr finalmente un sistema de control de datos, que incluye todos los
requerimientos para manejar los valores de las variables que se desean controlar en
una industria.
Además, con el avance de la tecnología en comunicación, no solo se mantiene la
información en una computadora, se la puede llevar a través de una red a otras
computadoras e incluso a cualquier parte del mundo.
n a o naxm a o a
l o a o tmocn p a n
no
rmnm a d D
Figura 1.12 MMI y comunicación de computadores
Ya en la aplicación motivo de la presente tesis, se hallan interactuando con el operador
los paneles desarrollados en el programa de control, que presentan en forma gráfica y
dinámica los datos, el funcionamiento actual y las acciones a tomarse con los
-18-
dispositivos de actuación. Estos paneles se muestran en el monitor de un computador
utilizando como herramienta de desarrollo el paquete LabVIEW 5.0.
1.4 TARJETA Y SOFTWARE
DE ADQUISICIÓN DE
DATOS.
En la implementación del módulo didáctico de control del nivel de líquido en tanques
acoplados se han considerado ciertos requerimientos ya mencionados, entre estos se
tiene la utilización del software de instrumentación virtual LabVIEW versión 5.0 y la
tarjeta Lab-PC-1200, ambos de la casa fabricante National Instruments, debido a que
son las herramientas de las cuales dispone la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la
Escuela Politécnica Nacional.
Evidentemente, son muchos los dispositivos y el software que se puede encontrar para
desarrollar una aplicación como la de la presente tesis, a continuación se analizarán
aspectos de-algunos de estos productos y se dará un enfoque directo a los elementos
empleados en este trabajo.
1.4.1 SISTEMAS DISPONIBLES DE ADQUISICIÓN DE DATOS. '
Se tienen disponibles en el mercado actual muchos sistemas encargados del manejo de
datos, sistemas que permiten cambiar ciertos parámetros en base a las mediciones
efectuadas en una planta, pero siempre se debe considerar en la elección de estos
productos lo siguiente:
1.
El hardware es la base y el limitante del rendimiento de cualquier sistema
que se opere.
2.
Los sistemas implementados deben ser lo más confiables posibles, aunque
obviamente es imposible lograr un sistema absolutamente libre de fallas.
3.
El tipo de señales que se puedan manejar en el sistema, así como la cantidad
de las mismas.
-19-
4.
La factibilidad de comunicación de que dispongan los sistemas.
5.
La comparación entre costos de los diferentes sistemas disponibles.
Considerando
todos estos parámetros se analizan a continuación los sistemas de
monitoreo y control que se aplican actualmente en la industria:
LLookout
Creado por National Instruments, emplea la programación gráfica y el lenguaje G para
aplicaciones en las que se requieren características de un sistema SCADA. Lookout
emplea un sistema de programación por bloques, creando a partir de una tarea
compleja un conjunto de tareas sencillas que interactúan entre ellas.
2. Factory Floor
Su fabricante es la empresa Opto22, el sistema de control se desarrolla alrededor de un
conjunto de software enlazado entre sí; se tiene OptoControl, OptoDisplay
y
OptoServer. El sistema se basa en la comunicación entre la computadora y el
dispositivo controlador, el cual almacena el programa y direcciona cada uno de los
puntos de control mediante tarjetas conectadas entre sí denominadas Bricks de control.
3. InTouch
Se orienta estrictamente a los requerimientos de control y monitoreo industrial,
empleado ampliamente en aplicaciones industriales.
4.LábVIEW
Desarrollado por National Instruments, posee la facilidad de manejar numerosas
tarjetas de adquisición de datos, requiere una programación gráfica sencilla, emplea el
lenguaje G, el uso de los controles ActiveX, dispone de una serie de manejadores para
distintos dispositivos existentes en el mercado y posee la factibilidad de emplear los
distintos tipos de comunicación.
-20-
o mu
LabVIEW" 5.0
N
M^H-í/1"
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Figura 1.13 Presentación de distintos programas de control
1.4.2 LABVIEW 5.0
La versión 5.0 del software LabVIEW es la que se emplea en el presente trabajo de
tesis para la adquisición de datos, el control de las variables y la presentación final en la
interfaz hombre-máquina, MMI.
Para la utilización de LabVIEW 5.0 se requiere de la correspondiente licencia y un
computador con características como:
•
Procesador 386 a 25 MHz con coprocesador matemático 387 o mejor
•
75 Mb libres en el disco duro para la instalación completa
•
Mínimo 8 Mb de memoria RAM
•
Plataforma de trabajo Windows 3.1o mejor.
-21-
En el desarrollo de este sistema de control se dispone de todas estos requerimientos de
hardware; de hecho, se los supera, por tanto no se encontró ningún problema en este
aspecto.
Se. debe anotar que el mismo fabricante recomienda en aplicaciones de control más
complejas usar un software de mayor alcance que el LabVEEW.
Es entonces necesario aclarar la diferencia entre un sistema de automatización o de
control y supervisión y un sistema de instrumentación virtual. Los VI pueden ser una
parte integrante de los primeros, que evidentemente serán de mayor alcance y
complejidad,
LabVIEW es un ambiente de desarrollo de programas, como los lenguajes C o BASIC,
pero difiere principalmente en que otros utilizan un sistema de programación basado en
texto, es decir creando líneas de códigos, mientras que este software emplea un idioma
de programación gráfico llamado G, para crear programas en diagrama de bloques.
Este software genera archivos con la extensión *.vi denominados instrumentos
virtuales (Vis) porque su apariencia y funcionamiento pueden imitar instrumentos
reales. Un programa VI desarrollado con esta programación de lenguaje G se
encuentra estructurado de la siguiente forma:
-
Una interfaz interactiva al usuario denominada Panel Frontal porque simula el
tablero de un instrumento físico ya que
puede contener perillas, pulsadores,
interruptores, gráficos y otros mandos e indicadores.
-
Un diagrama de bloques, que indica el flujo de datos, es el código fuente de donde
se reciben las instrucciones construidas en lenguaje G. El diagrama de bloques es
una solución pictórica al problema que se quiere resolver
Un icono de conexiones, que permite tanto el ingreso como la salida de datos,
haciendo funcionar al VT como un sub-VI, logrando un contenido modular o de
-22-
niveles de jerarquía; así, un VI puede llamar a otros que se encuentren en otro
nivel jerárquico, introduciendo el concepto de subfunciones o subrutinas.
t> Dtaoiaaví Dianram "
Fie g& £pef«la PlCfoct Window* Help
Encendido
Control booleano
Plot
•si
5.0
XOi.O- Gráfico
0.0 " 10.0
Perilla de control
xo _ (
n
Figura 1.14 Paneles de LabVIEW
LabVIEW es entonces un entorno de programación que se utiliza principalmente para
implementar sistemas de instrumentación virtual; pero, se puede emplear para procesos
básicos de control sencillos, como en el presente trabajo de tesis.
1.4.3 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS LAB-PC-1200.
A continuación se indica con mayor detalle la tarjeta de adquisición de datos. Esta
también es uno de los limitantes en el trabajo puesto que, como ya se ha mencionado,
debe emplearse la tarjeta Lab-PC-1200 disponible en el laboratorio de Instrumentación
de la Facultad de Ingeniería Eléctrica.
La tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 ofrece las siguientes características
principales:
•
Tasa demuestreo de 100 000 muestras por segundo
•
Entradas analógicas de 12 bits, para usarse como
8 de terminal común o 4
diferenciales, en un rango de +/- 5 V o de O a 10v, que se puede determinar desde
el software
•
Dos salidas analógicas de 12 bits
•
Tres contadores/temporizadores de-16 bits que funcionan hasta 7 MHz
-23-
•
24 líneas de entrada/salida digital compatibles con niveles TTL
•
Terminal +5 V de de alimentación, con capacidad de 1 amperio
•
Ganancias programables de 1 hasta 100.
•
Posibilidad de calibración por software, empleando la herramienta NI-DAQ
•
Compatibilidad con el estándar industrial Intel / Microsoft Plug and Play
•
Consumo de potencia: 185mA en modo +/- 5YDC
•
Conector macho de 50 pines
.La tarjeta de adquisición de datos está conectada directamente en una ranura de
expansión ISA del computador empleado en el presente trabajo. La configuración de la
tarjeta, tanto en sus niveles de voltaje de entrada como en ganancias, se la puede realizar
desde el software de control de la tarjeta, proporcionado junto al programa LabVIEW,
que se denomina NI-DAQ y proporciona las herramientas para la correcta conexión y
funcionamiento de las distintas tarjetas que el programa de control puede manejar.
Como se indica anteriormente, la tarjeta dispone de entradas y salidas tanto analógicas
como digitales, cada una de ellas con las siguientes especificaciones técnicas de
funcionamiento:
Entradas analógicas
Dispone de ganancias programables de 1, 2, 5, 10, 20, 50 o 100 y además la facilidad
de manejarse en modo unipolar de O a ] OV o en modo bipolar de -5V a +5V, según su
configuración en el software NI-DAQ.
Se dispone de ocho entradas analógicas, cada una en los pines del 3 al 8 y con su
referencia en el terminal 11 denominado AGND (Analog ground). En el módulo
didáctico se emplean dos de estas entradas analógicas para lograr la medición del nivel
de líquido en cada tanque, con un valor de O a 10 V, y dos para mantener el monitoreo
de la segal de los sensores de flotación.
-24-
Salidas analógicas
Con dos canales DACOOUT y DAC1OUT, que se encuentran en los pines 10 y 12
respectivamente y con la misma referencia que las entradas analógicas; es decir, el pin
11 AGND.
De la misma manera puede seleccionarse el funcionamiento en modo unipolar o bipolar,
pero en cualquiera de los casos se debe manejar una corriente de carga máxima de +/- 2
mA para mantener la linealidad en el conversor análogo digital de 12 bits del que se
dispone internamente. El módulo emplea las dos salidas analógicas como señales de
control para los actuadores de la planta.
Entradas y salidas digitales
Se dispone de 24 terminales que pueden 'funcionar como entradas o salidas compatibles
con niveles TTL que están agrupadas en tres puertos distintos de ocho entradas o
salidas: puerto A PA<0..,7> en los pines 14 al 21, puerto B PB<0...7> en los pines 22 al
29 y puerto C PC<0...7> en los pines 30 al 37,
Todas las entradas o salidas digitales
toman como referencia los pines 13 o 50
denominados DGND (Digital ground); y tienen las siguientes características:
Máximos valores soportados: -0.5 a +5.5 V
Reconocimiento de valor CERO lógico:
-0.3V mínimo 0.8V máximo
Reconocimiento de valor UNO lógico:
2,2 V mínimo 5.3V máximo
Corriente de salida 2.5 mA
Terminal de alimentación
En el pin 49 del conector de entrada/salida se provee una señal de 5V DC proveniente
de la fuente de alimentación de la computadora, protegida mediante un fusible de
autoreseteo a la corriente de 1 amperio. Este terminal toma como referencia el pin
DGND (13 o 50).
-25-
Se puede utilizar esta alimentación en algún circuito adicional a la tarjeta en la
aplicación que se esté desarrollando.
En el sistema de control implementado se mantendrá un flujo constante de información
entre la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200, el computador y la planta; por
tanto, es necesario analizar si la misma es apta para manejar un proceso que tiene las
siguientes características:
La velocidad con la que el nivel del líquido en los tanques varía es relativamente
baja, por tanto puede ser manejada perfectamente por la tarjeta, pues esta es capaz
de responder hasta a 100.000 valores diferentes en un segundo.
Se manejan señales de entrada/salida discretas en la planta que cumplen con los
niveles TTL y que son aplicables directamente a los terminales de la tarjeta de
adquisición.
El sistema de transducción convierte la variación dada por lo's sensores capacitivos
en valores de voltaje analógico aceptable como entrada hacia la tarjeta PC-Lab1200.
El número total de entradas y salidas son menores a las que se pueden manejar en
la tarjeta.
En conclusión, por las características de la tarjeta Lab-PC-1200 y del software
LabVTEW, descritas anteriormente, se pueden usar estos elementos en el sistema de
control implementado sin ninguna restricción y la certeza de que responderán al
funcionamiento requerido.
-26-
1.5 CONTROL DE NIVEL DE LÍQUIDOS PROPUESTO.
Como se ha indicado, el presente trabajo de tesis requiere de la construcción y puesta
en funcionamiento de una planta de control de nivel de líquidos (agua) en tanques
acoplados.
Se enfoca el presente trabajo en un sistema de control que se lo puede clasificar como
un proceso continuo; es decir, la información se entregará al usuario, a través de la
computadora, constantemente mientras se realiza el proceso.
Tanto en procesos continuos como discretos lo que se busca generalmente es mantener
las variables físicas en:
•
Un valor deseado fijo,
•
Un valor variable con el tiempo de acuerdo a una relación predeterminada,
•
Un valor que guarda relación con alguna otra variable.
El módulo didáctico implementado persigue básicamente satisfacer el primer objetivo,
mediante la acción de una bomba para introducir mayor cantidad de agua en los
tanques y una electroválvula para desfogarla.
Para esto, el presente trabajo de tesis debe incluir:
Sensores de tipo capacitivo para la medición del nivel del líquido.
•
Utilizar como enlace al computador la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC1200.
El software de control a emplear debe ser el LabVIEW 5.0
El líquido a utilizar en la planta es el agua potable
De todo lo expuesto hasta aquí se puede concluir que el sistema deberá operar de la
siguiente manera:
-27-
El sensor capacitivo captará la variación de la altura del líquido, luego del
acondicionamiento correspondiente, se enviará este valor al computador, mediante la
tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200.
En el computador, una interfaz
desarrollada bajo LabVIEW permitirá al usuario definir un nivel de referencia. Si el
líquido está por debajo de esta referencia, el software de control ordenará a una bomba
llenar el tanque. Si el líquido está por encima de la referencia, se ordenará la apertura
de la electroválvula para desalojar el exceso de líquido.
-28-
CAPITULO 2
DISEÑO DEL MODULO DIDÁCTICO
Al módulo didáctico se lo puede considerar como un sistema interactuante de seis
etapas, a continuación se presenta el diagrama y la respectiva descripción funcional de
cada bloque:
AGUJADORES
POLARIZAD ON
MODULO DE
TANQUES
/ADQUISICIÓN
DE DATOS Y
CONTROL
SOFTWARE
DE COISTTROL
TRANSDUCCION
Figura 2.1
Diagrama en bloques del ¿nodulo
Módulo de tanques
Está constituido del tanque de almacenamiento del líquido, el par de tanques acoplados
con sus respectivas conexiones para el flujo del agua y una base de soporte. Los
elementos de este bloque serán el motivo de atención de todos los dispositivos que
forman al sistema.
Polarización.
Este bloque entrega los voltajes DC requeridos para la polarización de los elementos
electrónicos de transducción, de los sensores y de una bomba que proveerá la
alimentación del líquido. En esta etapa se toma la derivación de la red eléctrica para el.
funcionamiento de la electroválvula. •
sensores de flotación que proveen la señal de alerta cuando el nivel de agua supera
el máximo que se puede manejar.
44
16.5
Tanque base
Base media
Tanques acoplados
Figura 2.2 Módulo de tanques acoplados
2. Base media: construida de plástico transparente de dimensiones 70cm x 31 cin x
16.5cm, donde se encuentra montada la bomba inmersible para la provisión de agua
con sus respectivas tuberías para conducir el flujo de agua; además, esta base provee
la sustentación para los tanques acoplados. Adicionalmente existe un sistema de
medición visual de flujo mediante la utilización de un sensor mecánico. Se anota
que este sensor solo se coloca como aporte didáctico en el módulo, pues la variable
flujo no se considera en el sistema de control.
3. Tanque base: hecho de plástico transparente, sus dimensiones son 75cm x 49crn x
18cm. Es aquí donde se coloca toda la provisión de agua del sistema, dispone de los
respectivos indicadores visuales de niveles máximo y mínimo; sirve como base para
todo el conjunto.
Todos estos elementos se encuentran disponibles en el laboratorio de Instrumentación
Industrial para su empleo en las prácticas respectivas. En la Figura 2.2 se presenta un
gráfico de los componentes como se los puede observar cuando se hallan separados.
Cada una de las otras etapas o bloques del sistema requirieron de ciertas
consideraciones técnicas y constructivas. A continuación, cuando es necesario,
describe el proceso de diseño y construcción para cada etapa.
-31-
se
2.1 TRANSDUCCION
La transducción se refiere aquí al empleo de los sensores capacitivos para convertir los
cambios del nivel del líquido en señales aplicables a la tarjeta Lab-PC-1200. Se
considera dentro de este sistema a los sensores de flotación que proveen la señal de
nivel máximo en los tanques.
2.1.1 DISEÑO DEL SENSOR CAPACITIVO
Para convertir el cambio de nivel de líquido en un cambio de capacidad se aplica la
teoría de los capacitores cilindricos coaxiales. Como se indicó anteriormente, existen
dos maneras de lograr el cambio en la capacidad: el cambio de dieléctrico entre las
placas y el cambio de la distancia entre las placas. En un capacitor de forma cilindrica
la manera más práctica de variar la capacidad es cambiando el material dieléctrico que
está entre las placas; pero, debido a las propiedades conductivas del agua, se aplica inas
bien el principio de cambio de la distancia entre las placas.
C = Caire + Clíquido
C = C1 + C2
d1
C1
Caire
C líquido
dieléctrico
(b)
C2
Figura 2.3 a) Dieléctrico variable b)Distanc¡a entre placas variable
A partir de las dimensiones de un capacitor cilindrico se obtiene la siguiente ecuación
para obtener la capacidad en picofaradios [pF]
s~\5
k
log D/d
Figura 2.4 Capacitor cilindrico
L
Donde:
-
D: diámetro de la placa exterior en milímetros, tubería exterior de cobre.
-
d: diámetro de la placa interior en milímetros, varilla interior de bronce,
k : valor de la constante dieléctrica en picofaradios sobre metro.
L: longitud del cuerpo del capacitor, en metros.
El valor de capacidad como se ve claramente se puede variar cambiando el tipo de
dieléctrico al variar el valor de k. En al Tabla 2.1 se muestran los valores de k para
distintos elementos que se emplean generalmente como dieléctrico.
Tabla 2.1 Constantes dieléctricas de algunos elementos
DIELÉCTRICO
Vacío
Valor de k
1
1,0006
Aire
Teflón
2
Tetracloruro de carbono
2,22
Estireno
2,43
Poliestireno
2,5
Vidrio
3,7
Papel, parafma
4
Mica
5
Cloruro de sodio
5,9
Caucho neopreno
6,6
Amoníaco
16,9
Glicerina
42,5
Agua pura
78,5
Cerámica (baja)
10
Cerámica(alta)
100 ~ 10000
En el sistema de tanques se requiere la medición del nivel del líquido en los tanques
para una altura de O a 40 centímetros. Para lograr esto se construyeron un par de
sensores de tipo capacitivo siguiendo el esquema constructivo y las medidas en
milímetros, que se detallan en la Figura 2.5
-33-
23
60
16
1.0.5
450
Figura 2.5 Esquema constructivo del sensor capacitivo. Medidas en milímetros.
Para la construcción de cada sensor capacitivo se emplearon los siguientes elementos:
Tubería cilindrica de cobre de 1 mm de espesor, 1.6 mm de diámetro y 45 cm de
longitud
Varilla de bronce de 6 mm de diámetro y 48 cm. de longitud, recubierta por una
capa de poliestireno de 0,25 mm de espesor.
Terminales para tubería de cobre.
-
Dos jacks monofónicos tipo RCA.
-
Dos plugs monofónicos tipo RCA.
Dos segmentos de cable coaxial de 70 cm de longitud cada uno.
-
Rodelas de sujeción internas.
La estructura del sensor es básicamente una varilla de bronce cubierta por una capa de
poliestireno, dentro de una tubería de cobre y con los elementos que brindan el soporte
mecánico necesario. Además, se encuentran montados en la parte superior de cada
sensor plugs de tipo RCA, para la conexión del cable blindado que proporciona la
conexión eléctrica desde el sensor hasta los acondicionadores.
-34-
Tabla 2,2 Capacidad del sensor en función de la altura del líquido.
Altura
C i (aire)
C2 (Poliestireno)
C total
1
13,68
17,62
81,80
10
10,52
176,20
237,22
20
7,01
352,40
409,91
30
3,51
528,59
582,60
37
1,05
651,93
703,48
Se anota que en la medición de la capacidad total ya se incluye un valor de 5075pF
correspondientes a 70 centímetros de cable coaxial RG-59 que se acopla desde el sensor
hasta el acondicionador. Este tipo de cable se emplea para reducir el ruido debido a que
el sensor se encuentra relativamente alejado del módulo de acondicionamiento.
En base a las ecuaciones descritas para la capacidad del sensor y la capacidad del cable,
se obtiene la gráfica mostrada en la Figura 2.7.
10
Alt
Altura
20 r , 30
[cm]
40
Figura 2.7 Respuesta teórica del sensor.
Al realizar las pruebas necesarias para el sensor capacitivo se obtuvo la siguiente curva
de la capacidad en función del nivel de líquido (Figura 2.8), que deberá ser manejada
por las siguientes etapas de acondicionamiento. Para las pruebas se utilizó un
capacímetro digital para encontrar las variaciones, en picofaradios, de la capacidad del
sensor cuando se introduce en el tanque con distintos niveles de agua.
-36-
o
Figura 2.8 Respuesta real dei sensor.
Como se puede observar la respuesta del sensor construido es aproximadamente lineal,
lo cual es una ventaja para su utilización en la siguiente etapa de acondicionamiento.
2.1.2
DISEÑO
DEL ACONDICIONADOR
PARA
EL SENSOR
CAPACITIVO.
Partiendo de la variación de capacidad que se tiene en el sensor construido, se pueden
tomar varios caminos para lograr la transducción a una señal eléctrica que pueda
aplicarse a la tarjeta Lab-PC-1200, entre estas se tiene: medición del cambio en la
amplitud de una señal de frecuencia constante, medición de una frecuencia variable,
una combinación, de ambas o algún otro camino alternativo que se pudiera hallar.
A continuación se muestra de manera básica las opciones que se probaron,
considerando siempre que la señal que se obtiene debe ser aplicada a la tarjeta de
adquisición de datos que maneja señales entre +/- 5 V o desde O a 10 V.
Inicialmente se implemento el diagrama de bloques de la Figura 2.9 para lograr un
cambio en la amplitud*de una señal de frecuencia constante. Esta señal es generada en
el circuito oscilador y mediante un nitro analógico, cuya frecuencia de corte está dada
por el valor de la capacidad del sensor, se consigue la variación de amplitud en función
del nivel del agua en los tanques.
En este sistema se considera principalmente la forma de la onda generada, la frecuencia
f 0 y el valor de la capacidad variable, pues de estas dependen las características de los
demás elementos.
-37-
Capacidad variable
"^
OSCILADOR
Fo CONSTANTE -
COMPUTADOR
FILTRO
AMPLIFICADOR
RECTIFICADOR
ANALÓGICO —
—
Ganancia
Fo
Frecuencia
Figura 2.9 Cambio de amplitud de una señal de frecuencia constante
En primera instancia se halló cierta dificultad en la poca estabilidad que presenta un
filtro analógico al emplear una capacidad tan pequeña como la del sensor; debido a
esta capacidad tan baja la frecuencia manejada es relativamente alta. Al probar este
sistema se concluyó que las formas de onda generadas deben ser triangulares o
senoidales para lograr un mejor funcionamiento del filtro analógico.
Luego de obtener un funcionamiento aceptable dentro de los parámetros establecidos,
se diseñó la etapa de rectificación considerando que la mejor manera de aplicar la señal
a la tarjeta de adquisición de datos es en forma de un voltaje continuo. Se probaron
distintos métodos, el recurso de rectificadores normales no es aplicable debido a que la
frecuencia de respuesta de los elementos semiconductores es menor respecto a las
frecuencias que se manejan en el circuito. Se probó la opción de rectificación mediante
amplificadores operacionales 'que funcionó mucho mejor que la primera y además
provee la corriente suficiente para aplicar la señal a una siguiente etapa.
Se apreció que el funcionamiento del conjunto no era del todo adecuado, pues se
requirió de un sistema de calibración muy preciso e incluso una calibración cada vez
que el equipo se encendía, lo cual no es funcional. Se descartó la opción tomada,
aunque se reconoció que las mediciones de señales de voltaje son muy precisas por
parte de la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 y se pueden emplear como
referencia para un nuevo esquema.
Otra opción fue la comparación entre una onda de frecuencia variable, generada en un
oscilador controlado por la capacidad variable del sensor, y una onda de frecuencia
constante obtenida de un circuito oscilador interno. Esta comparación se traduce en un
nivel de voltaje que guarda una relación con el nivel del líquido en los tanques, a través
-38-
/
r
Capacidad variable
JUL
OSCILADOR
COMPUTADOR
ACONDICIONADOR
AONDASVpp
F VARIABLE
FVC
Figura 2.11 Sistema impl ementad o
Este proceso de conversión de una capacidad variable en una señal de voltaje continuo,
que es medido por la tarjeta de adquisición de datos, se realiza en las siguientes tres
etapas:
Oscilador de frecuencia variable
Acondicionamiento de la señal a una onda cuadrada de 5 voltios pico-pico.
Convertidor de frecuencia a voltaje FVC
Oscilador de frecuencia variable.
En base a la capacidad variable entregada por el sensor capacitivo se procedió a la
generación de una onda cuadrada de frecuencia variable. Inicialmente se implemento
esta etapa con
el circuito integrado multifunción 555, pero se observó que la
configuración no era tan estable debido a la capacidad pequeña del sensor.
Investigando aún más, se encontró una configuración que genera ondas cuadradas y
triangulares, de mejor manera que la anterior solución. Esta configuración se basa en el
circuito generador de funciones NE566 de la casa Signetics, y sigue el diagrama de la
Figura 2.12.
Ve
R3
GND
Figura 2.12 Oscilador con el generador de funciones NE566
-40-
La configuración del circuito es la de un oscilador controlado por voltaje (VCO)7 pero
en este caso se mantiene un voltaje fijo de control Ve, dado por las resistencias R2 y RS,
y la frecuencia generada varia al cambiar la capacidad del sensor. La siguiente ecuación
muestra la dependencia de la frecuencia con el valor de la capacidad.
_2(Vcc-Vc)
Fo =
C Vcc
Para el funcionamiento del circuito se fijó un rango de frecuencias desde O hasta 10
KHz y un voltaje de control Vc= 11V; en base a esto y a la capacidad del sensor, que
varía de 138 a 780 pF, se obtuvieron los siguientes valores, para los elementos del
circuito:
Ri=150K
R2 = 2K
R3 = 22K
Cf'O.OOluF
Con estos elementos y empleando la ecuación indicada, los valores calculados para los
límites de frecuencia son;
•
En el nivel inferior de líquido, 0,2 cm, en que se dispone de una capacidad de 138
pF en el sensor, se calcula 8051,5 Hz
•
Para una altura de 37 cm en el límite superior la capacidad es de 780 pF en el sensor
y se obtiene una frecuencia de 1424,5 Hz.
En las pruebas definitivas se obtuvieron valores muy cercanos a los calculados;
8,29Khz en el nivel inferior y de 1}53 KHz para el nivel superior. Esto es justificable
puesto que se deben considerar las tolerancias que presentan los elementos.
El oscilador, como se indicó, provee dos tipos de señales: una onda triangular y una
onda cuadrada. Esta segunda señal se emplea en la siguiente etapa de conversión, pero
tiene en su forma de onda una componente DCS como se puede observar en la Figura
2.13 y esta componente debe ser eliminada.
También se observa que la forma de onda no es perfectamente cuadrada, sino que existe
un retardo en el cambio de estado, pero esta imprecisión es manejada sin problema en
el convertidor de frecuencia a voltaje.
X : 5V/div
Y : 50 useg/div
v
Nivel DC
A
Figura 2.] 3 Forma de onda del generador de frecuencia.
Acondicionamiento de la señal a una onda cuadrada de 5 voltios pico-pico.
La señal obtenida a través del pin 3, del generador de ondas, tiene una componente de
DC y un valor de 5,5 V pico-pico; pero los requerimientos para el FVC dicen que su
onda de entrada debe ser cuadrada de 5 voltios pico-pico.
Para satisfacer estos requerimientos se emplea un circuito sumador inversor con los
amplificadores operacionales LM 741, cuyas entradas son la onda del generador y un
nivel de voltaje que permite obtener a la salida la forma de onda requerida.
Rsl
10K
V1
Vout
V2
-=• GND
Figura 2.14 Acondicionador a 5 V pico-pico
La señal de salida se calcula por la siguiente ecuación:
Vout =
7$L
r
1
Rsl
M_
Rs2 J
Donde la entrada V] es la señal del oscilador y la entrada V2 es el voltaje de
polarización negativa, —12 voltios, y los valores de las resistencias utilizadas son los
que se indican en la Figura 2.14
-42-
El conjunto de oscilador y sumador proporciona una señal cuadrada de 5 voltios picopico que varía entre 8,59 KHz y l,53KHz y esta señal es la que se emplea en la
siguiente etapa de acondicionamiento.
Convertidor de frecuencia a voltaje FVC
Asimismo, luego de probar varias alternativas, se encontró un circuito de bajo costo,
basado en el circuito integrado XR4151 de la casa fabricante Exar.
V
R6 ¿
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3.3IÍ
a
5 Vpp
JTJL
2HnF
7
II
II
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— Co
MUÍ1
V salida
s
B
X
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-duF ^ > 100K
Figura 2.15 Convertidor de frecuencia a voltaje FVC
La casa fabricante indica que el esquema propuesto funciona Hnealrnente, para una
onda cuadrada de 5 voltios pico-pico y una frecuencia dentro del rango de O a lOKHz,
ideal para la aplicación que se está desarrollando. La descripción de este circuito se
encuentra al final del trabajo, en el anexo correspondiente al circuito integrado
XR4151, donde se presenta como una aplicación general en el manual de fábrica.
La ecuación de diseño para este circuito indica la relación entre el voltaje de salida
respecto a la frecuencia de entrada y es:
y=
Se implemento el circuito y se obtuvieron valores dentro del rango de O a 10 voltios,
para los valores de frecuencia generados.
Estos voltajes se aplicaron a la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 que, luego
de la conversión, proporcionó el dato de nivel de líquido en el tanque.
-43-
Cada tanque dispone de su propio sensor capacitivo así como de su sistema de
acondicionamiento, es misión de la tarjeta de adquisición manejar estos datos de
manera que la apreciación del usuario sea la de una medición simultánea.
2.1.3
DISEÑO
DE
LOS
ACONDICIONADORES PARA
LOS
SENSORES DE FLOTACIÓN
En cada uno de los tanques se han dispuesto sensores de flotación, ya descritos, para
determinar el momento en que se llegue al nivel máximo de líquido en los mismos,
antes que se desborde; esto como precaución en caso de que se produzca algún error en
el funcionamiento de la planta.
Se implemento un sistema de acondicionamiento que envíe a la tarjeta de adquisición
solamente O o 5 voltios sobre las entradas analógicas, de acuerdo al cierro o la apertura
o
de los sensores. Esto se logra con el circuito de la Figura 2.16.
10K
10 K
DAQ
+5
Nivel alto
-o
DAQ
Nivel baje
Figura 2.16 Acondicionamiento de los sensores discretos de flotación
En el esquema se emplea un sistema de lógica negativa. Cuando el sensor cierra sus
contactos el valor hacia la tarjeta de adquisición de datos es bajo o O voltios y al abrirlos
se tiene un nivel alto o 5 voltios.
Cada una de las señales logradas con estos sensores se aplica a distintas entradas de la
tarjeta Lab-PC-1200 y se las maneja como alarmas de seguridad dentro del programa de
control desarrollado en LabVIEW.
-44-
2.2 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
Todos los circuitos electrónicos diseñados para el módulo requieren de una fuente de
polarización adecuada para su correcto funcionamiento.
Se emplea una fuente de voltaje continuo DC para los circuitos electrónicos y fuentes
independientes de alimentación para los elementos de actuación, como se describe en
la Figura 2.17.
FUENTES para
TRANSDUCCION
RED ELÉCTRICA
110VCA
FUENTES para
ACTUACIÓN
Figura 2.17 Esquema de las fuentes de alimentación
Como se puede apreciar, los elementos actuadores disponen, de energización
independiente de los sistemas de transducción, para evitar de esta manera que el ruido
eléctrico producido en el arranque de los actuadores se introduzca en las etapas de
transducción, y con este lineamiento se han diseñado las fuentes de alimentación para
cada etapa.
2.2.1 FUENTES DE VOLTAJE PARA TRANSDUCCIÓN
Este voltaje de polarización DC se emplea en los circuitos acondicionadores de señal y
en los circuitos empleados tanto para enviar como para recibir las señales de nivel TTL,
desde y hacia la tarjeta de adquisición de datos instalada en el computador.
En el diagrama de bloques de la Figura 2.18 se puede apreciar que se dispone de tres
niveles de voltaje DC: los voltajes +12Y y -12 Y empleados para el funcionamiento de
los circuitos de acondicionamiento de señal y el. voltaje +5V utilizado en, las etapas que
permiten el manejo de las señales de los sensores hacia el computador.
-45-
Señales TTL
RELÉ PARA LA
ELECTROVALVULA
RELÉ PARA
LA BOMBA
RED ELÉCTRICA
110VCA
Circuito Acondicionador
Figura 2.18 Fuentes de alimentación para transducción
El diagrama esquemático de la Figura 2.19 corresponde al circuito de polarización ya
descrito. Se pueden apreciar tanto las etapas de rectificación y filtrado, como, las de
regulación que se realizan empleando los circuitos integrados que se encuentran
disponibles en el mercado.
+5V
12VAC
110 VAC
12VAC
Figura 2.19 Esquema de las fuentes de alimentación para transducción
En todos los circuitos de rectificación se emplearon los siguientes elementos
electrónicos, basándose en los correspondientes requerimientos de la carga:
-
Transformador 110V AC a 24 V AC con toma central, 1A
-
Puentes de rectificación RB155 ECG 5304 1,5 A 400 V pico inverso.
-
Capacitores Ci 470 uF 25V
-
Reguladores de voltaje
LM340LAZ-5
ECG 977 + 5V lo 0,1 A
de 7 a 30 Y 0,7W
LM340T12
ECG966 -H2V lo
de!4a35V
-46-
1A
15W
-
Puente de rectificación KBP10 ECG170 2A Voltaje reverso pico 1OOOV a 25° C
máximo.
-
Capacitor de filtrado 2200 uF 25V
Terminales de relé normalmente abiertos.
Con estos circuitos de alimentación se satisfacen todos los requerimientos de carga
encontrados en el diseño de la transducción y actuación.
El siguiente paso en la construcción del módulo es el desarrollo del programa de control
que debe hacerse en LabVIEW 5.0
2.3 SISTEMA DE CONTROL
Uno de los limitantes impuestos para el presente trabajo de tesis es la utilización del
software LabVIEW 5.0 para el desarrollo del programa de control, así como de la
tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200. A continuación se describe el método
empleado para el diseño del programa empleado en el control de nivel en tanques
acoplados, con sus variaciones, y el manejo de la tarjeta de adquisición de datos
indicada.
2.3.1 SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y MANEJO DE DATOS
Con el módulo de transducción y acondicionamiento construido se obtiene la
información de la planta traducida a señales eléctricas, que se deben aplicar al
computador a través de la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 cuyas
características se describen en la sección 1.4,3 del presente trabajo.
No solo se manejan señales de entrada puesto que se requieren de señales que controlen
el proceso y deben ser enviadas desde el computador hacia los elementos de actuación
en la planta.
Todo el proceso de comunicación lo realiza la tarjeta Lab-PC-1200, instalada en uno de
las ranuras internas del computador y configurada adecuadamente, que convierte las
señales eléctricas de entrada, en información binaria manejable por el computador y
también realiza el proceso contrario.
-48-
* 1
* 1
.
. 0001010011
1
'
nntmm
Planta
n
¿~,.,r^.... . \
0 1 0111010 • • „ • • .
Lab-PC-1200
Computador
Figura 2.22 Tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-]200
Las señales que deben ser manejadas son las que se indican a continuación, y se
conectan a la tarjeta de acuerdo al tipo al que pertenecen:
Señales hacia el computador
Dos señales analógicas que provienen de la conversión del nivel del líquido medíante
sensores capacitivos, acondicionadas para mantenerse entre O y 10 Vdc y conectadas a
los pines 1 y 2 de la tarjeta de adquisición de datos.
Dos señales discretas de O o 5 Vdc, obtenidas por el acondicionamiento de los sensores
discretos de flotación que indican el nivel máximo de líquido en los tanques. Estas
señales se aplican a las entradas analógicas ubicadas en los pines 3 y 4 de la tarjeta.
Señales desde el computador.
Dos señales discretas de niveles TTL, para controlar el estado de encendido o apagado
de la bomba inmersible y de la electroválvula. Estas señales se las encuentra en los
pines 10 y 12, que pertenecen a las salidas analógicas de la tarjeta DA.COOUT y
DAC1OUT.
Obviamente, existe una referencia a la que se denomina tierra o AGND, que es común
para todas y se la encuentra en el terminal 11 de la tarjeta.
Se dispone en el laboratorio de Instrumentación de un sistema de conectares, hacia la
tarjeta Lab-PC-1200, y las señales se acoplan hacia el circuito de control construido
mediante un conector DB~9 y un cable de 4 pares trenzados, con la siguiente
distribución:
-49-
1. Nivel del tanque 1
'
2. Nivel del tanque 2
' o o o o o5 /
3 - Tierra
_ . _ _ _ /
6 O O O O 9y
s
4 . Sensor máximo nivel 1
5. Sensor máximo nivel 2
6. Control de la bomba
7. Control de la electroválvula
8. Tierra
9. Sin conexión
Figura 2.23 Distribución de conexiones
Con las conexiones descritas y la correcta configuración de la tarjeta de adquisición de
datos, se obtuvo la información de la planta en los espacios de memoria asignados por
el computador.
A partir de este punto el software creado con LabVTEW toma control del sistema.
2.3.2 DISEÑO DE LA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA
LabVTEW 5.0 se emplea para desarrollar aplicaciones para sistemas de instrumentación
virtual, pero se analizó que se lo puede emplear en aplicaciones sencillas de control.
Como se indicó en la sección 1.4.2, durante la programación se generan códigos fuente
y paneles de usuario simultáneamente, pero son estos paneles los que muestran toda la
información y finalmente son los únicos a los que debe tener acceso el operador.
Los paneles de usuario son entornos gráficos que deben diseñarse de tal forma que su
uso sea muy intuitivo y que permitan al operador tomar decisiones, controlar acciones,
visualizar información y seleccionar el modo de operación del sistema de control con
mucha facilidad.
Con esta idea en mente, no se realiza todo en una sola presentación o panel, sino que se
aplica el esquema de programación modular o de niveles jerárquicos, de manera que a
un panel puede accederse si se pasa primero por uno de mayor jerarquía.
A continuación se esquematiza el sistema jerárquico empleado en la programación,
luego se expone el funcionamiento de cada uno de los paneles incluyendo, donde era
pertinente, la configuración que se realizó en cada uno de ellos.
-50-
Central nuclear. vi
Actuadores.vi
•
Muestra la animación de un proceso normal
•
Muestra la animación de un proceso anormal
•
Recibe y envía el valor de la variable global Bomba
•
Recibe y envía el valor de la variable global
Electroválvula
Mi información. vi
Mas información!. vi
Mas informacion2.vi
•
Muestra información general del programa
•
Muestra información sobre el control de nivel en un
tanque
•
Muestra información sobre el control de nivel en
tanques acoplados
2.3.2.1 INTERFAZ DE INICIO
Es el primer panel que se muestra al usuario con información básica sobre el presente
trabajo de tesis y la posibilidad de elegir entre continuar con el programa o terminar con
él y volver al modo de edición del LabVIEW 5.0. Este panel se muestra como en la
Figura 2.25,
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
{¿Ótíiilí RÓ U iO E N i VELivD E -!li IQÜ ítíOSi:!
.AJ. AJ. >..'. >. >. 'f,'ti 'f.'f. ¿JA fis. t. x Ji. :•. .'. >.'.•. '.:'f. >.'.-; -•-• ••: A .-. t.f. \- >. .•. '.-.'* .-.•.-; a
Desoirollodo por: Marco Vinicio Soria M.
Junio 2000
Figura 2.25 Interfaz de inicio
A partir de este panel se aplica el sistema modular de programación, pues es factible
ejecutar
cualquiera
de
los
módulos
independientemente,
pero
e]
correcto
funcionamiento requiere el inicio y terminación del programa con este panel, puesto
que debe seguir la estructura lógica detallada en la Figura 2.26.
-52-
INICIAR EL \O
PROGRAMA ?
Figura 2.26 Lógica de la interfaz de inicio.
Los botones, INICIO y FINALIZAR, mantienen la acción mecánica denominada Laich
when pressed, que permite mantener el estado presionado mientras se ejecutan los
siguientes módulos. De esta manera se consigue el. funcionamiento continuo del
programa.
2.3.2.2 INTERFAZ DE SELECCIÓN
Al seleccionar el inicio del programa se accede al panel de selección donde se solicita
al usuario elegir entre uno de los modos de funcionamiento del sistema de control. La
interfaz descrita se presenta como se Índica en la Figura 2.27:
CONTROL DEL NIVEL DE LIQUIDO
EN TANQUES ACOPLADOS
_;-:-Apq PIADOS:;!;
Figura 2.27 interfaz de selección
-53-
En este panel se emplean botones de selección para la ejecución de los modos de
funcionamiento del sistema., que son:
•
Control en un solo tanque
•
Control en tanques acoplados
•
Simulación de un proceso
Además, de este se puede acceder a la información general sobre el programa y tiene
una opción de salida hacia el panel de jerarquía superior.
En la programación modular cada panel guarda en una sección de su archivo la
información sobre su nivel jerárquico.
Cada vez que se ejecuta un módulo, éste
chequea la presencia de todos los submódulos que requiere, dentro del directorio de
ejecución. En caso de faltar alguno de los archivos requeridos, interrumpe su acción
para dar acceso al usuario de buscar manualmente el archivo necesario.
El sistema de programación genera detrás de la interfaz de selección el diagrama de
bloques que se muestra en la Figura 2.28.
UN SOLO
TANQUE
Jf^HTme H**j
TANQUES
ACOPLADOS
INFORMACIÓN
SIMULACIÓN I
^^_^
ÍCtJDl
—*(¡ÍÍi»'"" S
Figura 2.28 Diagrama de bloques de la interfaz de selección
Cuando se ejecuta este módulo del programa se chequean los valores de cada uno de los
botones, cuya acción mecánica también es Latch when pressed^ que comandan las
estructuras de caso.
-54-
Estas estructuras, denominadas Boolean case structure, permiten la ejecución de los
comandos que se encuentran dentro de la ventana correspondiente al estado de su
controlador, en este caso el botón.
En este trabajo se permite la ejecución del submódulo que se encuentra dentro de la
ventana Trite, siempre que el botón tenga un valor lógico de verdad, mientras no se
cumpla esta condición el programa no ejecuta ninguna acción.
2.3.2.3 INTERFÁZ DE CONTROL DE NIVEL EN UN TANQUE.
La selección de la opción tanque sencillo inicia el programa de control de nivel en uno
de los tanques. La interfaz resultante se muestra en la Figura 2.29.
CONTROL DE NIVEL EN UN TANQUE
MODO DE CONTROL
Figura 2.29 Interfaz de control de nivel en un tanque
Básicamente lo que se hace en este control es chequear el nivel del agua mediante el
sensor capacitivo y el programa analiza el valor de nivel resultante, lo compara con la
referencia fijada por el usuario y en base al resultado actúa sobre la bomba o la
electroválvuía, para mantener el nivel en dicho valor fijado.
Para el funcionamiento se debe realizar primero la configuración del módulo en base a
lo siguiente:
El tanque empleado debe ser el número I
Tanto la electroválvula como la manguera de llenado de líquido deben colocarse en
los espacios destinados para ellos en el tanque 1
-55-
-
Los 7 tapones de acoplamiento deben estar correctamente colocados de manera que
el líquido se confine al tanque 1.
Este modo de funcionamiento permite al usuario mantener un determinado nivel de
manera manual, actuando directamente sobre la bomba o la electroválvula; o también
seleccionar el control del nivel en modo automático cuyo funcionamiento se basa en:
1. La evaluación de] nivel actual existente en el tanque
2. La comparación entre el nivel deseado de líquido y el disponible, de acuerdo a
la tolerancia seleccionada.
3. La selección de la acción correspondiente entre: aumentar el volumen de líquido
mediante la bomba inmersible, disminuirlo al accionar la electroválvula de
escape o mantener al sistema en espera si el nivel de líquido cumple con el valor
predeterminado por el usuario.
MEDICIÓN DE
NIVEL EN EL
TANQUE 1
CONTROL \NO
AUTOMÁTICO ?
COMPARAR CON
ELNIVEL DESEADO
ACCIONAR ACTUADORES
_NO_/TERMINARE£
CONTROL?
VOLVER A SELECCIÓN
Figura 2.30 Diagrama de flujo del control de nivel en un solo tanque
-56-
La lógica mostrada en la Figura 2.30 es la que rige el funcionamiento de este control en
un solo tanque y es la que se ha instrumentado en la programación.
El diagrama de bloques implementado para la programación es el que se muestra en la
Figura 2.31.
ttii i iMUMAUíin Jítunni iraitMmiKKDtttttiitHttgMiatMinHHanii nmmuti jmt aetsiiü w i
i ¡«auau I¡IÍM±ÍIS:H u i:;: LI::: ::
Figura 2.31 Diagrama de bloques del control de nivel en un solo tanque
Tanto el funcionamiento en m.odo manual como automático se inicia con la lectura del
módulo Dos niveles vollaje.vi, que brinda el valor del nivel del líquido en el tanque 1 y
el estado de los sensores de flotación.
Se ha predefinido inicialmente que se tenga el control en modo manual, de manera que
ninguno de los actuadores se halle en funcionamiento, sino que solo se disponga del
valor del nivel del líquido existente. De esta manera, el usuario decide el momento en
que acciona alguno de los elementos de actuación a libre voluntad o selecciona el modo
de control automático.
La selección del modo de control se realiza mediante un control numérico etiquetado
MANUAL o AUTOMÁTICO, que genera un número de 8 bits, de valores O o 1
respectivamente. Este número es comparado con una constante de valor 1 de manera
que se transforma en un dato lógico de verdadero o falso, que es el que comanda el
resto del funcionamiento.
-57-
Si el usuario mantiene el control manual puede accionar los actuadores mediante los
botones de control, obteniendo el nivel de líquido que desee sin otra restricción que la
de no exceder el nivel máximo.
Cuando alguno de los actuadores es activado se envía hacia la variable global
correspondiente un valor de verdad y se inicia una animación gráfica que permite al
usuario visualizar claramente el funcionamiento del proceso. Esta animación se la
realiza empleando el nodo de atributo, de los controles gráficos, denominado Blinking o
parpadeo; que permite encender y apagar los segmentos de tubería empleados dando
como resultado la impresión de que existe un flujo de líquido, congruente con la acción
realizada en la planta.
En el modo de control automático se solicita al usuario un valor de nivel requerido y
desaparecen los controles directos de los actuadores, empleando otro atributo de nodo
denominado Visible, con lo cual solo se muestra un control numérico que solicita el
valor requerido de nivel y el nivel actual en el tanque 1.
Este valor de nivel es comparado con el valor deseado mediante un nodo de fórmula
dentro de una estructura de caso, para definir las acciones a tomarse. Esta fórmula
incluye una variable denominada ^Tolerancia, la misma que permite aceptar una cierta
desviación entre el valor deseado y el valor de nivel obtenido con el sistema de control.
El proceso se detalla en la Figura 2.32.
K=NAXTK0.01;
NV=NÁ-fD-fK); INV
Figura 2.32 Ecuación de evaluación del error de nivel
Se aprecia en este detalle que se requieren de tres variables de entrada para encontrar la
acción correcta a tomar, estas variables son:
-58-
•
Nivel del tanque 1 (NA)
•
Valor de la tolerancia aceptada en la medición (T)
•
Nivel deseado en el tanque 1 (D)
La estructura de caso encierra un nodo de fórmula, que evalúa si debe accionarse la
electroválvula o si debe encenderse la bomba para llegar al nivel, deseado del líquido,
en base a los siguientes cálculos:
J\. = PiA X I X (J?(J i
Donde K es el valor de error que se puede tolerar.
N V — PJA — {Ls + K. ) Donde NV es el valor que comandará la electroválvula.
PJjj = {JJ — A.) — JNA.
Donde NB es el valor que comandará la bomba.
Los valores de NV y NB activan los actuadores solamente si su valor es positivo. De
esta manera, cuando el valor de NA está por debajo del valor deseado, la variable NB es
mayor que cero y por tanto activa la bomba que provee de más líquido.
En cambio, si el valor NA supera el nivel deseado, es la variable NV la que se vuelve
positiva y por tanto activa la electroválvula permitiendo la salida del líquido.
Para estas acciones se emplean los controles Greater than O, que entregan un valor
lógico de verdad cuando la variable de entrada es mayor a cero.
La evaluación de este error en conjunto con el estado de los sensores de notación
produce el accionamiento de los actuadores mediante la utilización de un conjunto de
Variables Globales.
Estas variables se encuentran definidas en el archivo Actuadores,vi, que es un módulo
donde se pueden almacenar o leer valores a ser requeridos en cualquier momento; y se
denominan Bomba y Electroválvula, De esta forma, los valores lógicos de actuación
ingresan como el nuevo dato en las variables globales que serán manejadas después por
el módulo Dos niveles voltaje.vi,
La programación hace que se ejecuten secuencialmente los módulos Control I
tanque.vi y Dos niveles voltaje.vi; por tanto, el estado de los actuadores, de los sensores
-59-
Al superar esta dificultad, se regresa nuevamente al panel de selección y ambos
actuadores regresan al estado en que se encontraban antes de la contingencia.
Son transparentes para el operador los pasos que el programa desarrolla, lo que él
visualiza es una interfaz gráfica donde encuentra el nivel en un tanque virtual y el
estado de funcionamiento de cada actuador.
2.3.2.4 INTERFAZ DE CONTROL DE NIVEL EN TANQUES ACOPLADOS
A partir del panel de selección se puede acceder al modo de control del nivel del
líquido en el par de tanques acoplados. El funcionamiento de este panel se basa en el de
un solo tanque; es decir, compara el valor de nivel enviado por el sensor capacitivo con
el valor de consigna prefijado y actúa de acuerdo al resultado de la comparación.
1
CONTROL DE NIVEL EN TANQUES ACOPLADOS
MODO DE CONTROL
'<, TOLERANCIA
i!
Figura 2.34 Interfaz de control de nivel en tanques acoplados
De igual forma que en el control sobre un solo tanque, se requiere de cierta
configuración previa. Cabe aclarar que el módulo proporciona todos los elementos
necesarios para cualquiera de las configuraciones. La configuración requerida por este
modo debe cumplir lo siguiente:
1. Se emplean tanto el tanque 1 como el tanque 2
2. La manguera de llenado debe colocarse en el espacio destinado para esta en el
tanque 1 y la electroválvula en el tanque 2.
3. Uno de los 7 tapones de acoplamiento o una combinación de los mismos deben
ser retirados.
-61-
Luego de esta pre-configuración se debe proceder a conectar adecuadamente el módulo
de control a la tarjeta Lab-PC~1200 y después iniciar el funcionamiento del sistema.
Debe cumplirse este orden de manera que en ningún momento el programa de control
trabaje sin información aplicada a la tarjeta, pues esto generaría información totalmente
errónea.
Para entender el funcionamiento del control en los tanques acoplados se debe
comprender todo lo que ocurre cuando pasa el líquido desde un tanque hacia e] otro.
Acoplamiento de los tanques
Como se describió al inicio de este capítulo, el módulo de tanques acoplados dispone de
7 orificios circulares de acoplamiento en la parte inferior con sus respectivos tapones,
estos se liberan de acuerdo a la velocidad de paso del agua que se desee lograr. La
selección del acoplamiento se realiza manualmente sea antes de ejecutar el programa o
mientras se halle en funcionamiento.
Se indicó que dos tanques conteniendo un fluido y unidos por una abertura llegarán a
tener el mismo nivel de líquido, independientemente de su forma.
Empleando este concepto se puede obtener un determinado nivel de líquido en
cualquiera de los tanques al introducir agua en uno de ellos o al desfogar el líquido a
través de la electroválvula acoplada en el otro tanque. Luego de un cierto tiempo el
nivel en los dos tanques se igualará, pero este tiempo dependerá del nivel de
acoplamiento que se tenga.
Se realizaron pruebas en los tanques para determinar la velocidad con que el líquido
fluye según el nivel de acoplamiento. Estas se hicieron bajo el siguiente lineamiento:
1. Las pruebas se realizan colocando un nivel de 30cm de agua en el tanque 1 y
un nivel de Ocm en el tanque 2.
2. Cada centímetro lineal de nivel de agua equivale a un volumen de 390 cnv1
de líquido.
-62-
3. Se realizó la medición del tiempo que transcurre hasta que los tanques tienen
el mismo nivel en centímetros, es decir 15 cm.
4. La velocidad de transferencia de líquido se calcula en base al volumen que se
traspasó y el tiempo transcurrido.
^, .
Volumen
Flujo =
Tiempo
5. Se tomaron las mediciones para cada abertura (7 mediciones) y luego para un
conjunto progresivo; es decir, las dos primeras aberturas, las tres primeras,
etc. La primera abertura es la más pequeña, con 5mm de diámetro y un área
de 0.196cm~ y la máxima tiene 30 mm de diámetro y un área de 7,06 cm"
Debe entenderse que los valores obtenidos, que se detallan en el Capítulo 3, son
considerados promedios, puesto que la velocidad con que el líquido pasa desde un
recipiente al otro no solo depende de la abertura de acoplamiento, sino también de la
diferencia de nivel entre cada tanque que ejerce una determinada presión que hace
variar la velocidad de transferencia del líquido.
En el funcionamiento en modo manual el operador tiene acceso directo a los actuadores
y mantiene un nivel del líquido de acuerdo a su apreciación visual en los tanques
virtuales; cuando se encuentra en modo automático, el programa se rige por la lógica
mostrada en la Figura 2.35.
Se puede analizar que en modo automático se ejecutan continuamente las siguientes
acciones:
1. La evaluación del nivel actual en cada uno de los tanques.
•2. La selección entre cual tanque se deberá mantener a un nivel determinado. Si
se permite transcurrir un cierto tiempo el nivel en ambos tanques será el
mismo, pero, dependiendo del acoplamiento, un tanque mantendrá un nivel
distinto al otro por un período de tiempo, por tanto debe seleccionarse en. cual,
de los tanques se tendrá el valor de referencia.
3. La comparación entre el nivel deseado de líquido y el disponible, de acuerdo a
la tolerancia seleccionada.
4, La selección de la acción.correspondiente entre: aumentar el volumen de
líquido mediante la bomba inmersible, disminuirlo al accionar la
-63-
Figura 2.36 Diagrama de bloques del control en tanques acoplados
Como se indicó, se puede controlar el nivel del líquido solamente en un tanque a la vez.
Pero debido a que la medición de niveles se realiza para los dos tanques se debe
seleccionar cual de los dos valores de nivel será aplicado al nodo de fórmula. Para
lograr esto se emplea el arreglo mostrado en la Figura 2.37.
TANQUE A
CONTROLAR
N 2 deseado
Figura 2.37 Selección del tanque a controlar
Este arreglo emplea la función Select, donde la variable lógica de entrada TANQUE A
CONTROLAR selecciona el paso de los valores conectados a las entradas True o False
de acuerdo al estado de la variable "?". De esta manera, las variables de entrada al nodo
de fórmula solo pueden ser el nivel existente y el nivel deseado de uno de los tanques a
la vez.
Igual que en el sistema anterior, se puede detener el proceso en cualquier momento
empleando el botón STOP que detiene la ejecución del módulo y regresa al panel de
selección y el estado de los actuadores al de apagado; excepto cuando se tiene una
-65-
indicación de peligro por parte de los sensores de nivel máximo, en cuyo caso solo se
tiene acceso a la electroválvula para el desfogue correspondiente.
2.3.2.5 PANEL DE CONVERSIÓN DE VOLTAJE A NIVEL
Tanto para el control de nivel en un tanque como en los dos tanques acoplados, el dato
que entrega el circuito acondicionador de los sensores capacitivos es un valor de
voltaje; por tanto, éste debe procesarse de manera que describa correctamente el nivel
de líquido existente en cada tanque. Además, se requiere monitorear constantemente el
estado de los sensores de flotación así como enviar las señales de actuación.
Este proceso se realiza en base a cálculos y conversiones que se realizan en forma
transparente para el usuario y cuyos resultados se pueden emplear tanto en el control en
un tanque como en el control en los tanques acoplados.
A pesar de que el funcionamiento es transparente al usuario, la programación en
LabVIEW crea automáticamente una interfaz de presentación que se muestra en la
Figura 2.38 y que se ha empleado para crear el sistema de calibración del software que
se describirá más adelante.
!•- dos niveles voltaje, vi "
CALIBRACIÓN INICIAL
1. Presione el botón Run Continuos!^
2. En la Barra de menú, seleccione Windows y luego Show Diagram, puede usarse Ctrl+E
3. Anote los valores de voltaje para los niveles 0.2, 1,5,8,10,20,30.35 y 37 cm en cada tanque,
para lograr los niveles requeridos emplee los controles manuales.
4. Detenga la ejecución
5. Edite en la ventana Diagram los valores de voltaje que obtuvo, en los recuadros correspondientes.
6. Para los datos 10 y 8 cm se deben anotar los valores en dos tecuadros.
7. Guarde el archivo. Puede usar Ctrl+S
Voltajel
Nivel del tanque 1
Volta¡e2
200 300
Nivel del tanque 2
Figura 2.38 Interfaz de conversión de voltaje a nivel
Este
módulo está constantemente en comunicación con la tarjeta Lab-PC-1200,
tomando la magnitud del voltaje del acondicionador para convertirlo en un valor de
-66-
nivel equivalente, verificando los sensores de máximo nivel y enviando las señales de
control de los actuadores, siguiendo la estructura lógica de la Figura 2.39
INICIO
MEDICIÓN DE
VOLTAJES
1 Y2
LECTURA DEL
ESTADO DE
LOS SENSORES
LECTURA DE
VARIABLES
GLOBALES
EVALUAR NIVEL
DEL LIQUIDO
Nivel - A + B Voltaju
RETARDO
ENVIAR DATOS
Figura 2.39 Lógica de la conversión de voltaje a nive!
Este módulo maneja dos señales de salidas analógicas y cuatro entradas también
analógicas. De esta manera se evita la necesidad de configurar dos puntos de tierra
independientes, uno para señales digitales y otro para analógicas, como se recomienda
para la tarjeta Lab-PC-1200 cuando maneja estos dos tipos de señales.
Las salidas se emplean para enviar las señales de control a los actuadores y se manejan
mediante la conversión del valor lógico, que se toma de las variables globales, en
valores numéricos O o 1 correspondientes. Estos números se multiplican por la
constante 5 y ese valor se aplica a las salidas analógicas en los canales O y 1 manejados
por las subrutinas AOUpdateChannel.vi; los terminales de estas señales son los pines 10
y 12 de la tarjeta. Se puede observar el diagrama de programación en la Figura 2.40
device F)—,
Canal Igi
• Electro válvula
deviceQJ
Canal Fl
«o
O ME PT
[1Figura 2.40 Manejo de las señales de actuación
-67-
En el caso de los sensores de nivel máximo, estos envían una señal TTL hacia la tarjeta,
es decir O o 5Vdc a través de las entradas analógicas 3 y 4 que se manejan mediante las
subrutinas AISampleChanneLvi y cuyos terminales se ubican en los pin.es 4 y 5; estos
valores se comparan con una constante numérica igual a 4 para producir una variable
lógica True o False que verifica la condición Greather? (Mayor que), luego se emplea
un arreglo booleano de tal forma que cualquiera de los dos sensores puede producir una
señal de error de límite en la planta. Este proceso se describe gráficamente en la Figura
2.41.
Canal R-
__í víjí?" ••-—••
[íooF
Error de limite
Canal
4.00
Figura 2.41 Monitoreo de los sensores de nivel máximo
Las restantes dos señales de entrada se emplean para recibir el valor de voltaje enviado
por el acondicionador de los sensores, que está entre O y 10V y que debe ser convertido
a su equivalencia de altura de nivel de líquido correspondiente. Para conseguir esto la
programación implementada es básicamente la que se muestra en la Figura 2.42.
OHE n
Canal
í
r~\L
M1
A
^
Nivel tanque 1
DBL I
Figura 2.42 Conversión de voltaje a nivel
Para la conversión se debió determinar la relación existente entre el voltaje obtenido de
los acondicionadores y el nivel que representan, tomando como referencia las
ecuaciones de los circuitos empleados en la transducción y el acondicionamiento, que
son las siguientes:
-68-
Capacidad en picofaradios, del cable coaxial y el sensor, en función del nivel h en
metros:
10*30,
lo
'5/
AU B 6/6
6
C = 35,26(0,40~/0 -i- 1761,97 A
+
50,5
C = 14,1 -35,26/7 + 1761,97 fc + 50,5
C = 64,6
+ 1726,71 h
Frecuencia en función de la capacidad:
_2(7gc-Kc)_ 2(12-11)
C Kcc 150000 C12
2
1800000 C
10"
9C
Voltaje en función de la frecuencia, de acuerdo a la ecuación de diseño del circuito de
la Figura 2. 15:
RB.R0.C0
0.486 xRs
0,486x15^
^
=
Con estas ecuaciones se obtiene el voltaje generado en función de la altura del liquido
en metros:
V = 0,000921
1(T5
9,21xl0 3
9* (64,6+ 1126,71 h)*W-12
581,4 + 15540,44/7
Ya que el módulo de conversión realiza el proceso inverso; es decir, obtiene la altura en
función del voltaje, en el nodo de fórmula se introduce la siguiente ecuación:
- 0,0374
La ecuación obtenida e implementada en el módulo de conversión logra el cambio entre
el voltaje leido por la tarjeta y el nivel de altura de líquido, con un error que luego se
determinó es muy grande, ante lo cual se hicieron las correcciones que se mostrarán en
el Capítulo 3. Se debe anotar que existe una evaluación independiente para cada uno de
los tanques, lo que implica un nodo de fórmula para cada conversión.
-69-
Al terminar la conversión se tiene en la memoria del computador los valores de altura
de líquido en cada uno de los tanques, y por tanto pueden ser manejados por todos los
demás módulos que requieran de esta información.
Este panel no se encuentra accesible desde el programa de control, pues su manejo está
restringido a quien disponga de los conocimientos de programación, debido a que un
cambio en los valores de las constantes puede llevar a una conversión errónea o a una
desviación muy grande de los valores reales.
2.3.2.6 CALIBRACIÓN DEL SISTEMA
Como se indicó, se emplea el mismo archivo Dos niveles voltaje.vi para lograr la
calibración del sistema por software, que es requerida para iniciar el funcionamiento.
Este sistema de calibración basa su funcionamiento en la generación de las constantes
que se requieren dentro del nodo de fórmula que realiza la conversión de voltaje a nivel.
Nivel alto
Valores 2.58
de voltaje
2.62
Tanque 1
37.0
Constantes
obtenidas
35.0
2.98
30.0
3.83
20.0
5.45
10.0
6.04
8.0
i—^jijf
^
I
polinomio lyyyi
I
Figura 2.43 Generación de constantes de calibración
La obtención de las constantes se logra mediante e] uso de la subrutina
GeneralPolynomialFit.vi que requiere como entradas los datos de voltaje en función de
la altura de ciertos puntos para proveer las constantes de acuerdo al grado del polinomio
que se desee.
Estos datos de voltaje deben ser provistos inicialmente de manera que el sistema se
aproxime más al valor real del líquido dentro de los tanques. Factores como el cambio
en la composición del agua o deterioro de los elementos pueden desviar el punto de
trabajo óptimo del circuito acondicionador.
-70-
Las constantes que se obtienen pasan a ser parte del nodo de fórmula descrito
anteriormente y que provee de la conversión requerida. Cabe anotar que se necesitan los
rangos de datos para cada uno de los tanques.
El uso del sistema de calibración, así como también los resultados de la conversión se
detallan en el siguiente capítulo.
2.3.2.7 INTEKFAZ DE ANIMACIÓN
En el módulo de selección se encuentra un botón etiquetado
Central nuclear
(animación), mediante el cual se accede a un pane] donde se encuentra la simulación
del funcionamiento básico del sistema de enfriamiento de una central, de energía
nuclear en funcionamiento normal y con la inclusión de una falla en el sistema de
medición del nivel del líquido refrigerante que desencadena un proceso destructivo para
la planta.
MODELO DE CENTRAL NUCLEAR
jg=—~
f.'..'. —
npcj
liai • aig
/^ fl
~
Figura 2.44 Iníerfaz de simulación
Este panel demuestra en forma sencilla la capacidad de programación de LabVIEW5.0,
que puede lograr una secuencia de animación en base al manejo de objetos gráficos y
permite el manejo de otras bibliotecas que incluyen los archivos de desarrollo
multimedia de los computadores. Por supuesto, proporciona un ejemplo de un proceso
en el cual el correcto funcionamiento depende de la determinación del nivel del .líquido
en un tanque.
-71-
Para lograr esta animación se implemento el diagrama de bloques que se muestra en la
Figura 2.45
wm«^^
Ke utiza d calor jetenido en el
lefrigetanle para obtenef mái energf
lEI refrigetanle 10 depura y
Ivudve a empíe» en el p
Figura 2.45 Diagrama de bloques
La animación se logró básicamente con el manejo de los atributos de nodo para cada
elemento gráfico. Los atributos empleados son:
•
La posibilidad de ocultar y mostrar el elemento; y,
•
El parpadeo que se puede aplicar sobre un elemento gráfico.
Las estructuras de secuencia de LabVIEW provocan en el usuario la idea de que existe
un movimiento de los gráficos, cuando en realidad lo que ocurre es que estos van
apareciendo y desapareciendo con un determinado retardo de tiempo.
Para la animación del sistema sin falla, se emplea una estructura de caso (Boolean Case
Structuré) donde se ejecuta una secuencia que hace aparecer y desaparecer cuadros de
texto en intervalos de tiempo suficientes como para leer la información que estos
contienen y entender el funcionamiento básico del sistema de enfriamiento.
En la estructura de secuencia que corresponde a la operación con falla, no solo se aplica
un retardo fijo sino que, empleando una estructura For loop\s decir, de lazo, se
aplican distintos retardos conforme se van repitiendo los pasos del proceso; por lo tanto,
-72-
el usuario puede observar que los gráficos realizan cada vez la secuencia a mayor
velocidad.
Se puede terminar el funcionamiento del panel de información presionando la tecla
Escape Esc o haciendo un clic en el botón marcado STOP, para volver a] panel de
selección.
2.3.2.8 INTERFACES DE INFORMACIÓN.
En los principales paneles del sistema se encuentran botones de información, que
muestran al usuario datos básicos sobre el módulo desde el cual se requirió la
información correspondiente.
Durante la ejecución del panel respectivo, se puede presionar el botón Información o la
tecla Fl y entonces se despliega un panel como el que se muestra en la Figura 2.46
^^
Inrormacíon
CONTROL DE NIVEL EN TANQUES ACOPLADOS
Para emplear este sistema se debe tener la siguiente configuración: :
La manguera de la bomba debe colocarse en el tanque 1
La electroválvula debe colocarse en e! tanque 2
Los tapones de acoplamiento deben retirarse a conveniencia
del usuario
Conectar el módulo de acondicionamiento a [a tarjeta Lab-PC-1200
Llenar el tanque principal con la suficiente cantidad de agua
Para mas información refiérase al trabajo de tesis en la
sección 2.3.2.4
Figura 2.46 Interfaz de información
La información mostrada describe principalmente la confíguración que se requiere para
lograr el correcto funcionamiento del esquema de control al que pertenece.
-73-
Para su implementación se emplea el mismo esquema que en el panel de selección; es
decir, el manejo de una estructura de caso a través de un botón cuya etiqueta es
INFORMACIÓN y que conduce a la ejecución del sub-módulo de información
correspondiente.
Los paneles de información, cumplen, con el esquema modular de la programación,
manteniendo el sistema de control en funcionamiento mientras ellos son desplegados y
analizados.
El conjunto de los módulos descritos forman lo que se denomina en LabVEEW un
proyecto, y encierra todo el sistema jerárquico creado durante e] desarrollo de] sistema
(Figura 2.24), por tanto es necesario disponer de todos los archivos que a continuación
se detallan para el funcionamiento nonnal del programa;
Inicio, vi
Interfaz de inicio
Selección.vi
Interfaz de selección
Control 1 tanque.vi
Interfaz de control de nivel en un solo tanque
Control 2 tanques.vi
Interfaz de control de nivel en tanques acoplados
Dos niveles voltaje.vi
Panel de conversión de voltaje a nivel
Central nuclear.vi
Interfaz de simulación.
Mi información, vi
Interfaz de información general.
Mas informacionl.vi
Interfaz de información sobre el control en un solo tanque.
Mas informaci.on2.vi
Interfaz de información sobre el control en tanques
acoplados.
La programación en LabVOEW brinda la facilidad de ejecutar el programa sin la
presencia de los archivos en un mismo directorio., pero ya que estos se encuen.tran en el
nivel jerárquico del proyecto, se requerirá la determinación de su ubicación al inicio de
la ejecución.
2.3.2.9 CARACTERÍSTICAS COMPLEMENTARIAS DEL PROGRAMA
*
Para facilitar el manejo del programa, se ha asociado a los botones que se emplean
para detener el panel de control, la tecla <Escapé>, mediante la opción Key
navega/ion y la tecla Fl para los botones de información.
-74-
LabVIEW permite al usuario emplear la tecla de tabulación para seleccionar los
controles en el panel activo, en caso de que no se desee usar el mouse como medio
de interacción con el programa.
Los controles e indicadores numéricos pueden variar su presentación tanto en
formato como en precisión, con el uso de la opción Formal &. Precisión, este
cambio afecta a la visualización del valor, ya que las operaciones que se realizan
solo consideran la forma de representación del número. Esta representación puede
encontrarse dentro de la clasificación mostrada en la Tabla 2.4.
Tabla 2.4 Representación numérica de LabVIEW
Descripción
Representación
Single SGL
Número de simple precisión 8 bits
Double DBL
Número de doble precisión de 1 6 bits
Extended EXT
Número de punto flotante de 32 bits
18,116,132
Número entero con signo de 8, 16 o 32 bits
U8,U16,U32
Número entero sin signo de 8,16 o 32 bits
2.4 SISTEMA DE ACTUADORES
Se han descrito los elementos que permiten la detección del nivel del líquido en la
planta y el programa desarrollado para generar las señales de control; finalmente se
describen los elementos que toman las señales provenientes del programa de control a
través de la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 y las convierten en acciones
para aumentar o disminuir el volumen de agua en los tanques, lo que puede lograrse
mediante una bomba para el ingreso de líquido a los tanques y una electroválvula para
el desfogue del mismo.
2.4.1 BOMBEO DE LÍQUIDO
Como se indicó anteriormente para enviar agua dentro de los tanques se emplea una
bomba inmersible colocada en la parte inferior de la base media.
-75-
Este actuador es controlado por la correspondiente señal enviada por el computador a
través de la tarjeta Lab-PC-1200 en la salida DACOOUT en el pin 10, y que debe pasar
por un circuito incluido en el módulo de transducción para comandar el funcionamiento
de la bomba.
La bomba inmersible disponible en el laboratorio de Instrumentación tiene las
siguientes características eléctricas:
- Voltaje de funcionamiento 12 VDC
- Corriente de funcionamiento 1.93 A.
- Casa fabricante PROVEN PUMPS CORP.
La señal que se recibe del computador es una señal de 5 o O Vdc, pero esta no es
suficiente para accionar al actuador por tanto se ha implementado el circuito de la
Figura 2.47 para lograr el objetivo deseado.
R1
Bomba
inmersible
R2
r^A/V-
Vo
Vo = V d a q ( 1 + R1/R2)
Vdaq
R3
Releí
12 VDC
Figura 2.47 Circuito de actuación para la bomba inmersible
I
\l circuito es regido por la ecuación
Vo ~Vin\
\
el voltaje dado por la tarjeta de adquisición de datos y el voltaje V0 es el que aplica
sobre la bobina del relé de comando de la bomba.
Ya que la señal de control es de 5 voltios DC y el voltaje de trabajo de la bobina del
relé es 1.2 V, se requiere llevar al amplificador operacional a la saturación positiva, de
manera que todo el voltaje de polarización se aplica a la bobina para que cierre los
contactos que permiten la alimentación de la bomba inmersible, desde su fuente de
alimentación independiente.
-76-
n
Para lograr esta saturación se requiere cumplir lo siguiente: — >1.4 Para esto se
•^2
seleccionaron los valores de Ri=10K y R2==3.3K que aseguran la saturación ante la
presencia de la señal de control.
La resistencia R3 es la carga dada a la tarjeta de adquisición de datos y permite el paso
V
5
de una corriente dada por / = — = —:- = 0.0005^4 que es menor que la que soporta
la salida empleada.
Se puede notar la presencia del capacitor C en paralelo con la resistencia R3, este se
incluyó debido a que ciertos procesos en el manejo de la información en el computador
hacen que la señal enviada no sea siempre continua, sino que se presenta como pulsos.
Con la presencia de este condensador de 10 uF se mantiene siempre la señal aplicada al
amplificador como continua, evitando esta molestia.
Con estas justificaciones, los elementos requeridos para este circuito son:
-
Amplificador operacional LM741
-
Rj=10 K, R2=3.3 K, R3=10K. Resistencias de 0,25W
-
Capacitor C de lOuF y 10V
-
Mini Relé con bobina para 12Vdc, contacto tripolar para 10A a 120 Vac.
Con la implementación de este circuito se asegura el encendido y apagado de la bomba
inmersible para proveer la cantidad de agua requerida, siempre y cuando el nivel
existente del líquido en el tanque principal lo permita.
2.4.2 EXTRACCIÓN DE LÍQUIDO
La acción complementaria al llenado del líquido es el desfogue del mismo a través del
funcionamiento de una electroválvula acoplada a los tanques.
Este actuador funciona como elemento on/off; es decir, solamente puede estar
totalmente abierto y permitir el paso del líquido o estar cerrado y bloquear todo
desfogue del mismo, sin considerar posiciones intermedias.
-77-
Las características principales de este elemento de actuación son las siguientes:
-
Voltaje de alimentación de la bobina 110 YAC.
-
Potencia de consumo 6W
-
Tubería terminal 0,5 pulgadas
Presión de trabajo: agua y aceite de 5 a 135 psi, aire y gases inertes de 5 a 200 psi
-
Casa fabricante ASCO
Tanto la bomba inmersible como la electroválvula son controladas por señales
discretas, desde el computador; por tanto, los circuitos requeridos para el control de
ambos dispositivos son los mismos, distinguiéndose solamente en la naturaleza de la
alimentación de cada actuador.
R1
Electroválvula
R2
rAW
Vo
r-
Vo = V d a q ( 1 + R1/R2)
Vdaq
R3
Relé 2
110 VAC
Figura 2.48 Circuito de actuación para la electroválvula
Como se indicó el circuito es el mismo que para la bomba inmersible, por tanto los
elementos requeridos tendrán los mismos valores yjustifícaciones, portante serán:
Amplificador operacional LM741
-
Rt=10 K, R2=3.3 K, R3=10K. Resistencias de 0,25W
-
Capacitor C de lOuF y 10V
-
Mini Relé con bobina para 12Vdc, contacto tripolar para 10A a 120 Vac.
Debido a que la electroválvula sólo dispone de dos estados, abierto o cerrado, 1a
velocidad del desfogue del líquido dependerá de la altura a la que se encuentre el
liquido en e] tanque en el cual se halle acoplada la electroválvula.
-78-
2.5 DISEÑO DEL MODULO DE ACONDICIONAMIENTO
Se han indicado cada uno de los circuitos implementados para la transducción, el
acondicionamiento y el manejo de las señales que se producen en la planta, así como
sus respectivas fuentes de alimentación y elementos de conexión, satisfaciendo uno de
los requerimientos del sistema en cuanto a su total independencia eléctrica.
Este conjunto de elementos se halla integrado en un solo módulo, al que se denomina
de acondicionamiento, estructurado sobre una base metálica y provisto de todas las
conexiones necesarias para cumplir con los requerimientos de la planta.
2.5.1 ESQUEMA GENERAL DEL MÓDULO
A continuación se esquematizan los elementos que se encuentran dentro del módulo de
acondicionamiento, y aunque se encuentran dentro de un mismo soporte, se ha dado el
aislamiento eléctrico requerido en los diferentes casos. Se tienen entonces las siguientes
etapas integradas:
Circuitos de transducción. para los sensores capacitivos.
Circuitos de acondicionamiento de las señales de los sensores capacitivos y
de notación.
Circuitos de manejo de señales para actuación.
Fuentes de polarización para transducción y actuación.
Transformadores para polarización
Elementos de conexión externa.
Dispositivos de seguridad
De estas etapas, las cuatro primeras se hallan montadas sobre una misma placa de
circuito impreso, las demás se encuentran distribuidas dentro del soporte metálico de
manera que sean accesibles en caso de requerir algún tipo de manipulación.
A continuación en el Plano General se muestra el circuito electrónico completo,
empleado para el acondicionamiento de los sensores, las fuentes de alimentación y
demás etapas antes indicadas.
-79-
>
in
>
>
OJ
pls
M
ft
—4-
Hh
-
A
MJ
y
y
oí*
Bl*
n
i— u —i
CONTROL DE NIVEL EN TANQUES ACDPLABDS
Figura 8.4S SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y ACTUACIÓN
-80-
CGNTRDL DE NIVEL EN TANQUES ACDPLADGS
Figura 2,50 SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO
-81-
2.6 ELEMENTOS ADICIONALES
Todos los elementos descritos son básicos para el funcionamiento correcto del sistema;
pero, además de estos se encuentran en la planta ciertos elementos accesorios.
Debido a que en el presente trabajo se emplean tanques que pertenecen a un proyecto
anterior, se mantiene un dispositivo de medición de caudal de tipo mecánico, acoplado
a la salida de la bomba inmersible. Este elemento se encuentra solo como elemento
demostrativo, puesto que no interviene en ningún momento en el funcionamiento del
sistema.
;>v , ' • * . ' • & * /".$[ ?&
í Xf ? "v'v,*¥Vx£'" • ^?J*„"r^síí
Figura 2.52 Fotografía del conjunto de tanques acoplados
Para todas las instalaciones por donde ñuirá el agua se han tomado como normas los
siguientes criterios:
Las tuberías, mangueras y conectores deben especificarse para una medida
de 0,5 pulgadas de radio.
Debe mantenerse la posibilidad de intercambiar fácilmente las posiciones
de los elementos.
Las tuberías y mangueras deben ser flexibles en lo posible.
-83-
De esta manera, el módulo del sistema dispone de los siguientes elementos adicionales:
•
Manguera de conexión para la bomba inmersible, acoplada al medidor de caudal.
•
Tuberías de soporte y acoplamiento para la electro válvula, montadas en la parte
inferior de cada tanque.
•
Válvulas de desfogue manuales, situadas en la parte inferior de cada tanque.
•
Tuberías de conexión para las mangueras de desfogue de líquido.
•
Conectores plásticos para mangueras de desfogue
Finalmente, el conjunto de los tanques acoplados puede ser observado físicamente,
como se indica en la fotografía de la Figura 2.52 y el sistema en funcionamiento como
se ve en la Figura 2.53.
Figura 2.53 Fotografía del sistema en [funcionamiento
Con estos elementos y las configuraciones descritas se procedió a realizar las pruebas
de funcionamiento y puesta a punto del sistema, cuyos resultados se detallan en el
siguiente capítulo.
-84-
Tabla 3.1 Capacidad del sensor en función de la altura
Altura
cm
37
C medida
PF
780
C teórica
PF
833,04
35
760
792,89
30
660
692,53
25
612
592,17
20
500
491,81
15
442
391,44
10
345
291,08
8
312
250,94
5
262
190,72
2
179
130,50
0,2
138
94,37
Se debe recordar que estos valores incluyen la capacidad del cable blindado que con la
medición se determinó es de 75,7 picofaradios. Con estos datos se obtuvo la curva
característica del sensor capacitivo mostrada en la Figura 3.1.
Cabe anotar que
prácticamente se alcanzó igual resultado para los dos sensores. Las diferencias que se
encontraron fueron mínimas, lo cual es comprensible puesto que ambos fueron
construidos con materiales de una misma estructura y que sus dimensiones son las
mismas.
880
80
10
Altura 20 [cm]
40
Figura 3.1 Curva de respuesta del sensor capacitivo.
Como se puede observar, la curva característica del sensor ante la variación del nivel
de] líquido es similar a ]a curva teórica y los valores límites para una altura de agua
entre 0,2 y 37 centímetros, son respectivamente, 138 y 780 picofaradios.
-86-
De estos valores se obtiene la sensibilidad del sensor capacitivo empleado, cuyo valor
es:
o •í-i-J ,1 =
Sensibilidad
salida
entrada
- 7 , 1 ^pF/
= 780^-138pF
— = 117.44
/
/ccm
37cm — Q.2cm
3.1,2 PRUEBAS CON DISTINTOS NIVELES DE ACOPLAMIENTO
ENTRE TANQUES.
Cuando el módulo funciona empleando ambos tanques, el agua que ingresa a uno de
ellos es transferida hacia el tanque adyacente mediante las aberturas que se encuentran
en la parte inferior de la pared común. Como se mencionó, se disponen de siete
aberturas de distintos diámetros, con sus respectivos tapones, que pueden ser cerradas o
abiertas de acuerdo al criterio del operador. La velocidad de transferencia del liquido
estará dada por el número de aberturas que se encuentren destapadas.
Sobre esta base se realizaron pruebas para conocer la velocidad con que el agua pasa
desde un tanque hacia el otro, siguiendo el siguiente proceso:
1. Colocar un nivel de 30cm de agua en el tanque 1 y un nivel Ocm en el tanque 2.
2.
Retirar e] tapón del orificio de prueba, a la vez que se inicia e] conteo del
tiempo. "
3.
Anotar el tiempo que transcurre hasta que los tanques tienen el mismo nivel de
agua, es decir 15 cm.
4. Tomar las mediciones de tiempo para cada abertura independiente; es decir,
siete mediciones.
5. Luego realizar ensayos para un conjunto progresivo de aberturas; es decir, las
dos primeras aberturas, las tres primeras, etc. La primera abertura es la más
pequeña, con 5mm de diámetro y un área de 0.196cm2. La más grande tiene un
radio de 30 milímetros y un área de 7,07 cm2.
El flujo de transferencia de líquido se calcula mediante el uso de la relación
Flujo =
Volumen transferido
Tiempo de transferencia
-87-
Como se explicó en el Capítulo 2, inicialmente se implemento un circuito basado en el
CI 555 para la generación de onda cuadrada, pero su funcionamiento resultó deficiente
puesto que la señal producida era muy inestable e incluía demasiado ruido.
Ante esto se construyó un generador en base al CI LM566 que resultó ser lo
suficientemente estable y libre de ruido como para la aplicación requerida.
La característica aproximadamente lineal del sensor capacitivo se vio reflejada en la
generación de frecuencia, como puede observarse en los valores que se obtuvieron de
acuerdo al nivel del líquido y que se muestran en la Tabla 3.3.
Tabla 3.3 Frecuencia generada en función del nivel de agua
Altura cm
Frecuencia Hz
0
9091
8333
6667
5882
5000
4167
3571
3125
2778
2500
2381
2
5
8
10
15
20
25
30
35
38
Con esto se terminan las pruebas realizadas previamente, y que son la base para el
diseño de los sensores y sus circuitos de acondicionamiento.
.2 CALIBRACIÓN DEL SISTEMA
Obviamente, en el diseño se ha procurado que los circuitos sean lo más estables
posibles, pero aún así, pueden ocurrir corrimientos del punto de trabajo
-89-
Evidentemente, las condiciones de funcionamiento del, módulo no podrán ser
exactamente las mismas siempre. Debido a esto, se ha previsto en la construcción, del
módulo la facilidad de variar, en ciertas etapas del proceso, algunos parámetros para
lograr el funcionamiento normal del mismo ante distintas condiciones de utilización.
La variación de las condiciones de trabajo ocurre generalmente por envejecimiento de
los componentes, variaciones de la temperatura ambiente, etc. Sin embargo, hay
cambios que puede introducir el usuario, como por ejemplo, cambio en la calidad del
líquido que se emplee en el módulo.
El diseño es para agua potable, pero se puede usar cualquier otro fluido no corrosivo, o
bien el agua potable puede cambiar en su composición por variaciones en las cantidades
de cloro y otras substancias que contiene, cambiando de esta manera las condiciones
para las que inicialmente se construyó el módulo. Esto hace necesario algún sistema de
calibración.
3.2.1 CALIBRACIÓN DEL GENERADORDE ONDAS.
A pesar de que en la construcción de los sensores capacitivos se siguieron los mismos
pasos, existen ciertos parámetros que no se pueden controlar y que hacen que el.
funcionamiento de ambos no sea exactamente el mismo. Esto implica que la capacidad
en cada sensor sea aproximadamente la misma, pero no igual.
Ya que esta capacidad influye directamente sobre el funcionamiento del generador de
señales, se incluye un sistema de calibración en el circuito de manera que la frecuencia
generada para el nivel inferior del líquido sea siempre la misma y se asume un valor de
9 KHz. Con esto se brinda un margen de seguridad para el funcionamiento de la
siguiente etapa que fue calculada para un máximo de 10 KHz.
Para lograr esta calibración y con referencia a la Figura 3.2, se requiere de un
osciloscopio que verifique la forma de onda en el pin 3 de] LM566 y permita la
medición de su frecuencia a 9090 Hz que se obtiene cuando el período de la onda es de
110 microsegundos, para ello se ajusta el potenciómetro Pj hasta que se observe en el
osciloscopio la onda con la frecuencia requerida.
-90-
V
P1
Cl
D.OOluF
F= 9090 Hz
6
s
Ve
8
NE5S6
7
R3
1
SENSDR-
GND
Figura 3.2 Circuito generador de ondas
3.2.2 CALIBRACIÓN DEL CONVERSOR' DE FRECUENCIA
A
VOLTAJE.
En el circuito de acondicionamiento de señal se puede obtener un funcionamiento
óptimo al calibrar la última etapa que es la conversión de frecuencia a voltaje.
Se ha previsto en el diseño la posibilidad de variar la respuesta de la etapa de
conversión de frecuencia a voltaje, mediante el empleo del potenciómetro P2 de la
Figura 3.3, que permite modificar la respuesta de frecuencia del circuito.
+12V
5 V pp
^
ci
Figura 3.3 Circuito del conversor de frecuencia a voltaje.
-91-
Al variar el valor de P2 se debe verificar en el punto denominado Vp, la forma de onda
del voltaje de carga del capacitor Co. Las formas de onda de la Figura 3.4 ñieron
tomadas con un osciloscopio y empleando un generador de onda cuadrada de frecuencia
fíja de 10 KHZ y amplitud 5 Vpp.
Al ingresar la señal del generador se debe variar P2 hasta que en el punto Vp se obtenga
la forma de onda que se muestra en la Figura 3.4.a. En la Figura 3.4.b se muestra corno
referencia la forma de onda que se obtiene en este punto cuando el circuito está fuera de
su punto de operación.
X : 2V/d¡v
Y : 50 useg/dif
(a)
(b)
Figura 3.4 Formas de onda para calibración del FVC
Se debe entonces verificar estas formas de onda en el conversor de voltaje a frecuencia,
cada vez que el líquido que se emplee sea distinto al agua potable, o al realizar algún
cambio en el circuito cuando se realiza alguna reparación.
3.2.3 CALIBRACIÓN DEL PROGRAMA DE CONTROL
Como se indicó, el módulo de transducción proporciona un voltaje con relación al nivel
del líquido existente en los tanques. Este voltaje es enviado a la tarjeta de adquisición
de datos Lab~PC-1200 que lo convierte en un valor numérico que puede manejarse
dentro del computador.
Se indicó también que para lograr esto se emplea un algoritmo matemático que procura
representar fielmente la altura real del líquido.
-92-
En la Tabla 3.4 se muestran los valores reales obtenidos en los acondicionadores, en
función de los distintos niveles de líquido en los tanques y que son los que se deben
obtener mediante el algoritmo implementado.
Tabla 3.4 Voltajes obtenidos en función del nivel del agua
Altura
V Tanque 1
V Tanque 2
37
2,58
2,35
35
2,62
30
25
20
15
2,98
3,33
3,83
4,48
5,45
6,04
2,45
2,75
3,16
3,68
4,43
5,49
6,12
7,20
8,02
9,18
9,52
7,17
8,18
9,01
9,37
10
8
5
-•>
1
0,2
Son estos valores de voltaje los que se deben manejar de manera que reflejen los niveles
de líquido en cada tanque. Al aplicarlos sobre la ecuación teórica encontrada para la
altura en función del voltaje / 7 - 0)592-0^374 y granear estos datos, para el tanque 1, se
obtiene la Figura 3.5
-Tanque 1 real
-Ecuación teórica
4
Voltaje6
[V]
8
Figura 3.5 Nivel de liquido en el tanque 1 en íunción del voltaje de entrada.
-93-
Se puede observar que el error obtenido con la aplicación de la ecuación teórica es
demasiado grande y lo es también para el tanque 2; por lo tanto, se deben modificar las
constantes A y B de la ecuación
h = -—B, para que la respuesta sea lo más cercana
posible al valor real del nivel.
Luego de la realización de pruebas empíricas se llegaron a obtener los siguientes
valores para las constantes indicadas:
Tabla 3.5 Constantes empíricas empleadas
A
B
Tanque 1
1,185
0,115
Tanque 2
1,059
0,095
El uso de estas constantes reduce considerablemente el error de la conversión, teniendo
la máxima desviación en el nivel 37cm donde se miden 34,4cm y como mínima en el
nivel 15cm donde la medición es también de 15cm. Se puede analizar la respuesta de la
conversión en la Figura 3.6
4 Voltaje 6 [V]
10
Figura 3.6 Nivel de líquido en el tanque 1, usando constantes empíricas.
Para la calibración del sistema en lo que corresponde a la conversión entre los valores
de voltaje y el nivel en cada tanque, se emplea el módulo Dos niveles voltaje.vi
funcionando independientemente del. programa de control.
A pesar de que este archivo es parte integral del sistema de control, no se puede acceder
al mismo desde los paneles principales; por tanto, no es posible calibrar el sistema
-94-
mientras está en ejecución sino que se lo debe detener y acceder al modo de edición de
LabVIEW.
Las pruebas de calibración se realizan bajo el siguiente esquema:
•
Configurar los tanques según la estructura de funcionamiento en tanques acoplados.
•
Conectar el módulo de acondicionamiento a la tarjeta de adquisición de datos.
•
Ejecutar el archivo, en modo de ejecución continua.
•
Emplear los controles manuales del módulo de acondicionamiento, para llenar los
tanques.
•
Anotar los valores de voltaje correspondientes a los siguientes niveles, para cada
tanque: 0.2, 1, 2, 5, 8, 10,15, 20, 30, 35, 37
•
Detener la ejecución y en el modo de edición anotar los voltajes obtenidos según
corresponda en los recuadros que se indican en la Figura 3.7.
•
Grabar el archivo con el mismo nombre Dos niveles voltaje.vi o emplear las teclas
Ctrl+S.
••;• dos niveles voltaje, vi Diagiam *
•i•u••••^^••••••i:
jjcílbel1
••••
&!i!>:x£Í¡:¡r!Í#|M
fr|>
TANQUE 1
2.58
NIVEL ALTO
37a10cm
;l tanque!
Ingrese
valores
de voltaje
Tanque 1
NIVEL BAJO
"JB Sl-B^;l^LB'x-:::^'-;-r--:-^-:'
TANQUE 2
Nivel alio
2.45
2.62
2.98
30. G
2.75
3.83
20.0
3.68
5.45 5.45
6.04 6.04
10.0
7.2G
-f
2.35
¿J '.U
J
5.49 5.49
6.12 6.12
7iy
6.0
5.0
9.18
1.0
9.52
0"
i
í
valores
de voltaje
lanque¿
9.01
9.37
Nivel bajo
•^^[^JS^^mw^w^ *t**ft**i*
SÍ3,i
^WW^-VV^TVV
J
Figura 3.7 Diagrama de Calibración
Este módulo genera las nuevas constantes que mejoran la conversión, pero que aún
incluyen un cierto error, el cual se puede analizar en la Tabla 3.6, donde también se
aprecian los datos de una ecuación de grado mayor que se implemento para minimizar
el error en la conversión.
-95-
Tabla 3.6 Conversión de voltaje a nivel
Tanque 2
Tanque 1
Altura real
A],B]
Ec. Óptima
A2,B2
Ec. óptima
37
34,4
37,2
35,6
37,1
35
33,7
35,0
33,7
35,0
30
28,3
30,1
29,0
30,0
25
24,1
25,0
24,0
25,0
20
19,4
19,9
19,3
19,9
15
15,0
15,0
14,4
15,0
10
10,2
10,0
9,8
10,0
8
8,1
8,0
7,8
8,0
5
5,0
5,1
3
5,1
3,0
5,3
o o
3,4
3,1
1
1,4
0,9
1=0
2,3
1,0
0,0
1,8
0,1
0
Al emplear la ecuación se puede apreciar que el error obtenido es mínimo, lo cual se
puede observar en la Figura 3.8 donde se "utilizan los datos para el tanque 2.
Tanque 2 real
Ecuación óptima
4 Voltaje [ V ] 6
10
Figura 3.8 Nivel de líquido en el tanque 2, usando la ecuación óptima.
De esta manera se logra la calibración del sistema, para poder usarse en los objetivos
que se requieran.
-96-
3.3 MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MODULO.
El sistema puede operar en dos formas diferentes: control en un tanque y control en
tanques acoplados.
En el capítulo anterior se describió de manera funcional el desempeño de cada uno de
estos modos. En esta sección se hace un análisis más detallado con el propósito de
introducir el potencial didáctico del trabajo presente.
3.3.1 PRUEBAS DEL CONTROL DE NIVEL EN UN TANQUE.
Para trabajar en este modo se deben colocar los elementos del módulo de acuerdo a la
Figura 3.9, donde se muestra esquemáticamente la estructura de los tanques y demás
componentes.
Tanque 1
Tanque 2 —
Tan'que-prfncipaJrrrr;^--—-
Figura 3.9 Módulo de control en un solo tanque
Con esta configuración se procede a la ejecución del programa de control, de manera
que se pueden realizar las siguientes acciones:
Controlar el nivel del agua accionando directamente la electroválvula o la
bomba virtuales.
Pennitir el control del nivel automáticamente, luego de proporcionar un valor de
referencia.
— 97 —
Se procedió a verificar el funcionamiento de los sensores de flotación, para lo cual se
llenó el tanque hasta su nivel máximo. De esta manera se comprobó que los sensores
cierran sus contactos cuando el flotador forma un ángulo de aproximadamente 30
grados con el eje fijo. Esta prueba permitió fijar como valor máximo permisible en el
tanque un nivel de 37 cm.
Luego, se procedió a medir el tiempo que le toma a la bomba introducir agua en el
tanque, para lo cual se empleó el sistema de control manual.
Se determinó que el tiempo que requiere la bomba para introducir una altura de 5 cm.
•5
en el tanque; es decir, un volumen de 1950 cm , es de 14 segundos. Además se realizó
una medición para el tiempo que se demora en llenar el tanque del nivel mínimo al
máximo, que es de 37 cm de altura, equivalentes a 14 430 cm3 de agua y fue de 102
segundos.
Se anota que a partir de un nivel de agua desde los 20 crn la presión que esta ejerce
sobre los tapones provoca una ligera fuga del líquido hacia el tanque 2, que debe ser
controlada manteniendo abierta la válvula manual de dicho tanque.
También se realizó un ensayo para determinar la capacidad de desfogue que tiene la
electroválvula, para lo cual se procedió de la siguiente manera:
- Se llenó el tanque 1 hasta su nivel máximo, empleando el modo de control
manual.
- En este mismo modo se procede a vaciar el líquido primero hasta 35 cm y luego
en intervalos de 5 cm de altura, hasta llegar al nivel mínimo.
Los resultados de esta prueba se muestran en la Tabla 3.7 . En los valores de las
mediciones se puede apreciar que la rapidez con que la electroválvula desfoga el
líquido depende directamente de la altura inicial del mismo.
-98-
Tabla 3.7 Pruebas en un solo tanque
Variación de nivel
cm
37-35
Tiempo
Seg
35-30
7
30-25
8
25-20
9
20-15
11
15-10
14
' 10-5
17
5
22
5-0
Al realizar las mediciones, luego de la calibración, se comparan los valores reales de la
planta con los valores mostrados en el computador y se puede indicar que el sistema
mantiene un error de medición que depende del nivel en que se encuentra, como se
indica:
Tabla 3.8 Error de medición en el tanque 1
Nivel en el tanque 1
cm
0-10
10-30
Error máximo
mm
2
•>
30-37
2
Con estas pruebas se consiguió determinar el funcionamiento real de la planta en cuanto
se refiere al control manual, ya que el sistema de control automático simplemente
empleará los mismos tiempos tanto para el llenado como para el desfogue del agua.
En el modo de funcionamiento automático se tiene una variable adicional que es la
tolerancia de medición, que puede tomar valores de 1%, 2%, 5% y 10 %, la cual,
permite tener un cierto margen de proximidad al valor deseado. Se comprobó también
que se llega más cercanamente al nivel deseado con la tolerancia mínima, aunque esto
produce que el tiempo de funcionamiento de los actuadores se alargue debido a que
estos se encienden y apagan continuamente a fin de conseguir el valor de nivel, deseado.
Esta opción en realidad se introdujo para dar un carácter más didáctico al sistema,
permitiendo que el usuario manipule este parámetro.
-99-
3.3.2 PRUEBAS DEL CONTROL DE NIVEL EN TANQUES
ACOPLADOS
Es el modo de funcionamiento principal de este trabajo de tesis. Para esto se requiere la
utilización total del conjunto como se indica a continuación:
Se emplean tanto el tanque 1 como el tanque 2.
La manguera de llenado debe colocarse en el espacio destinado para ésta en el
tanque 1 y la electroválvula en el tanque 2.
Uno de los 7 tapones de acoplamiento o una combinación de los mismos
deben ser retirados.
La válvula manual del tanque 1 debe estar cerrada en tanto que la del tanque 2
debe permanecer abierta.
La cantidad de agua en el tanque principal debe ser suficiente como para llenar
los dos tanques al mismo tiempo, en caso de tener este requerimiento.
Al cumplir estos linearnientos, se puede apreciar la configuración esquemática del
módulo de control de nivel en tanques acoplados tal como lo indica la Figura 3.10.
Tanque 1
Tanque 2 —
Figura 3.10 Módulo de control de nivel en tanques acoplados
Las acciones que se pueden realizar en el programa de control son:
- Controlar el nivel del agua en alguno de los tanques, accionando directamente la
electroválvula o la bomba virtuales.
-100-
- Permitir el control del nivel automáticamente, luego de proporcionar un valor de
referencia para uno de los tanques.
Igual que en el caso anterior, el usuario tiene la capacidad de controlar los actuado res
pulsando el botón del mouse en el control respectivo. Al entrar en funcionamiento
alguno de los elementos, se inicia una animación gráfica de los controles que
representan a dicho elemento.
Ya que en la planta ambos tanques tienen prácticamente las mismas dimensiones, las
pruebas realizadas tanto para los sensores de flotación como para el llenado y desfogue
de los tanques individualmente, arrojan los mismos resultados anteriores.
Se procedió a determinar el funcionamiento cuando se tiene un determinado nivel de
acoplamiento,, siguiendo las siguientes pautas:
•
Las pruebas se realizaron para un nivel de acoplamiento mínimo, medio y máximo.
Es decir se liberaron para cada ensayo los tapones 15 4 y 7 respectivamente.
•
Los ensayos se inician con un nivel mínimo en ambos tanques.
•
La bomba se colocó en el tanque 1 y se midió el tiempo que le toma al tanque 2
llegar al nivel del tanque 1.
•
Empleando el sistema de control automático, se procede a llenar el establecer un
valor de referencia en el tanque 2 de 10,20 y 30 cm.
•
Se procedió a observar la diferencia de nivel que se tiene durante el proceso de
llenado.
•
Una vez terminada la prueba con. el tapón 1 liberado, se procedió a repetirla para los
tapones 4 y 7.
Los resultados obtenidos en estas pruebas se detallan en la Tabla 3.9; es decir, la
manera en que la altura del líquido en el tanque 1 es mayor que la del tanque 2, de
acuerdo al nivel de acoplamiento.
Tabla 3.9 Diferencia de nivel de los tanques durante el llenado
0-10
0-20
0-30
Tapónl
3 rnm
8 mm
10 mm
Tapón 4
1 mm.
1 mm
1 mm
Tapón 7
1 mm
1 mm
1 mm
-101-
En el conjunto de tanques acoplados se puede ingresar un valor de nivel requerido de
líquido solo para uno de los tanques, puesto que en el transcurso del tiempo el nivel
llegará a ser el mismo en ambos tanques. El usuario puede determinar en cual de los
tanques desea se efectúe el control de manera arbitraria y cambiar su decisión en
cualquier momento.
Como parte de las pruebas se procede a realizar la comparación entre los niveles
mostrados en el computador y los existentes en los tanques, con lo cual se obtiene para
el tanque 1 los mismos valores de error de la Tabla 3.8 y para el tanque 2 el error es el
mostrado en la Tabla 3.10.
Tabla 3.10 Error de medición en el tanque 2
Nivel en el tanque 1
Error máximo
Cm
mm
0-10
2
10-30
o
30-37
2
o
Se debe tomar en cuenta que durante el proceso de control los niveles de los tanques no
serán los mismos, puesto que esto depende del acoplamiento entre ellos; es decir, del
número de aberturas que se encuentren libres.
De la misma forma que en la configuración de un solo tanque, en el modo de
funcionamiento automático se dispone de la variable Tolerancia que puede tomar
valores de 1%, 2%, 5% y 10 %. También se comprobó que en la mínima tolerancia los
actuadores funcionan durante más tiempo mientras se llega al valor de nivel deseado
con mayor cercanía.
3.3.3 CONSIDERACIONES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO
Los dispositivos descritos en el presente trabajo de tesis, así como los archivos
necesarios para la ejecución del programa de control proveen los elementos necesarios
para estructurar el módulo didáctico de control de nivel de líquidos.
-102-
Durante el funcionamiento en cualquiera de las configuraciones del módulo, se deben
observar las siguientes consideraciones sobre el funcionamiento.
Cuidar que el nivel de agua en el tanque principal sea el suficiente, para satisfacer
las necesidades del control configurado. De esta manera se evita que en el algún
momento la bomba inmersible trabaje sin tener agua que enviar, lo cual
desembocaría en un calentamiento de la misma.
Mantener el cuidado requerido en las conexiones hacia la tarjeta de adquisición de
datos Lab-PC-1200. Un error en esta conexión puede causar daños irreversibles a la
tarjeta, portante debe seguirse estrictamente la siguiente distribución, de pines.
Tabla 3.11 Conexiones de los terminales
Terminal LAB-PC-1200
PIN DB-9
1 . Nivel del tanque 1
2
ACHÍ
2. Nivel del tanque 2
o
ACH2
3. Tierra analógica
11
AGND
4. Sensor de máximo nivel 1
4
ACH3
5. Sensor de máximo nivel 2
5
ACH4
6. Control de la bomba
10
DACOOUT
7. Control de la electroválvula
12
DAC1OUT
8. Tierra analógica
11
AGND
9. Sin conexión
-
-
Mantener libre de cualquier obstáculo la parte móvil de los conmutadores de
flotación. Estos son una parte necesaria para el manejo seguro de La planta, pues
mantienen constante rnonitoreo sobre un posible exceso de líquido dentro de los
tanques.
Verificar que el agua en el tanque principal no contenga impurezas que puedan
taponar la entrada o salida de los conductos de la bomba inmersible.
Colocar los sensores capacitivos en los espacios destinados específicamente para
ellos en los tanques, conservando siempre la posición vertical.
-103-
-
En caso de errores en el funcionamiento del computador en el que se encuentra la
tarjeta Lab-PC-1200, los valores de las salidas hacia los actuadores se mantienen en
el estado final. Es por tanto necesario -reiniciar el sistema, tanto en el módulo de
acondicionamiento como en el programa de control.
Mantener las conexiones libres del contacto con el agua.
-
Realizar las conexiones de las tuberías de la manera más segura, sin permitir la
existencia de fugas de líquido.
Todas estas consideraciones, además de aquellas que son evidentes y necesarias para la
conservación del equipo, como evitar golpes o caídas, aseguran el funcionamiento del
módulo para los fines didácticos que fue construido.
CAPITULO 4
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En este capítulo se presentan las conclusiones obtenidas como fruto de los
experimentos y pruebas realizadas en el desarrollo de este trabajo. Al finalizar se anotan
a manera de recomendaciones las aplicaciones que se pueden dar al sistema de control
implementado, para su utilización del módulo dentro de] aprendizaje en el área de
mstrumentación.
4.1 CONCLUSIONES
El presente trabajo de tesis ha brindado la oportunidad de investigar, diseñar, construir
y probar un sistema de control real.
El desarrollo de este tema y los resultados obtenidos permiten llegar a las siguientes
conclusiones:
Un modelo demostrativo a pequeña escala, como el del presente trabajo, expone de
manera clara y sencilla los criterios de control, específicamente cómo mantener
constante una variable física, el nivel del líquido, en presencia de una perturbación.
Las complicadas consolas de control existentes en la industria, y orientadas para el
uso de operadores experimentados, se pueden llegar a reemplazar por un
computador, donde los datos pueden presentarse en forma numérica para facilidad
del operador.
Programas como el LabVIEW permiten incluso modelar en forma gráfica todo un.
proceso o planta, facilitando la comprensión de su funcionamiento, lo que permitirá
tomar decisiones más rápidas en casos de emergencia.
Un sensor de tipo capacitivo resultó tener entre sus principales características de
confiabilidad la ausencia de partes mecánicas.
Se comprobó y por lo mismo se concluye que los sensores de tipo capacitivo, como
el construido para el módulo, no se emplean en mediciones continuas como la
realizada debido a que no brindan precisiones aceptables.
Así mismo, se comprobó el hecho que en la industria se emplean los sensores
capacitivos solo como sensores discretos de encendido y apagado,
Cuando se emplea un sensor capacitivo las variaciones de capacitancia están en el
orden de los picofaradios, de aquí que los circuitos de acondicionamiento se tornen
relativamente más complejos.
La operación del sistema depende del líquido a emplearse, el agua potable puede
variar su composición química, cambiando así el punto de operación de trabajo.
Debido a esto se requiere la calibración cada vez que se cambie el líquido en el
tanque.
Se determinó que la sensibilidad del sensor construido es de 17,44 pF/cm, y por esto
las variaciones del nivel del líquido debido a perturbaciones generan un cambio
inmediato en las lecturas del computador. La correcta medición se realiza cuando el
líquido se encuentra en reposo.
'!•
-u
Las perturbaciones producidas por el agua cuando es impulsada por la bomba
generan ciertos errores momentáneos si este flujo se produce demasiado cerca de las
paredes del sensor.
El desfogue del líquido produce una perturbación menor que el ingreso del mismo,
ya que este se realiza en la parte inferior de los tanques, lo cual redunda en que las
lecturas durante este proceso no sean erróneas.
Ya que el proceso de desfogue es más lento que el de llenado, se produce una
diferencia de nivel entre los tanques mucho menor, y muy poco perceptible,
durante este desfogue.
-106-
El sistema construido puede asegurar un error en la medición de +/- 3 mm como
promedio en toda la escala de medición, cuando se halla calibrado correctamente.
El control por computador no es la única técnica de la cual se dispone. El control
ahora catalogado como tradicional o antiguo aún funciona en muchas instalaciones,
aunque es innegable que poco a poco será desplazado por los avances de la
tecnología y el posible abaratamiento de los costos en la implementación de
sistemas computarizados
Un instrumento existente en la industria o en el laboratorio tiene ya sus
características definidas, como son sus señales de entrada y de salida y la interfaz de
usuario fija dada por perillas, botones pulsadores y demás. Es decir, el fabricante
define la funcionalidad del instrumento; por tanto, el usuario no puede cambiarla y
debe acoplar su aplicación al instrumento del cual dispone. Aquí se marca la
diferencia con los instrumentos virtuales, donde un usuario determina las
características de su equipo, en base a sus necesidades, obviamente dentro de ciertos
límites.
Es necesario mantener clara la diferencia entre un sistema de automatización o de
control y supervisión y un sistema de instrumentación virtual, ya que los
instrumentos virtuales pueden ser una parte integrante de los primeros, que
evidentemente serán de mayor alcance y complejidad.
Con el avance en la tecnología de comunicaciones, la información de un proceso
industrial no solo se mantendrá en una computadora local, sino que se la podrá
llevar a través de una red a otras computadoras e incluso a cualquier parte del
mundo, por medio de modems.
El software desarrollado en LabVTEW ha demostrado tener las capacidades
necesarias para mantener un sistema de control sencillo, evidenciando que su
utilización no se limita a la instrumentación virtual. Este programa de desarrollo se
emplea en el control implementado debido al requerimiento específico, puesto que a
nivel de costos un programa de esta capacidad es sub-utilizado en una aplicación
como la desarrollada.
El apoyo que brinda la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 es determinante
en el desarrollo de una aplicación como la del presente trabajo; pues gracias a esta
-107-
Mantener en el tanque principal el nivel de agua necesario para que la bomba no
trabaje sin líquido en ningún momento.
Realizar las conexiones hacia la tarjeta de adquisición de datos Lab-PC-1200 con
mucho cuidado, ya que se pueden causar daños definitivos a la tarjeta. Debe
seguirse estrictamente la distribución de pines indicada en la Tabla 3.11
Mantener libre de cualquier obstáculo la parte móvil de los sensores de flotación.
Estos son una parte necesaria para el manejo seguro de la planta, pues mantienen
constante monitoreo sobre un posible exceso de líquido dentro de los tanques.
-
Verificar que el agua en el tanque principal no contenga impurezas que puedan
taponar la entrada o salida de los conductos de la bomba inmersible.
Colocar los sensores capacitivos en los espacios destinados específicamente para
ellos en los tanques, conservando siempre la posición vertical.
En caso de errores en el funcionamiento del computador en el que se encuentra la
tarjeta Lab~PC-1200, los valores de las salidas hacia los actuadores se mantienen en
el estado final Es por tanto necesario reiniciar el sistema, tanto en el módulo de
acondicionamiento como en el programa de control (Referirse al manual del usuario
para el reinicio del sistema).
Mantener las conexiones eléctricas libres de contacto con el agua.
Realizar las conexiones de las tuberías de la manera más segura, sin permitir la
existencia de fugas de líquido.
Con estos condicionantes se puede utilizar el sistema construido, recordando siempre
que en los complejos industriales se encontrarán sistemas que emplean transducción
capacitiva solo como elementos de encendido/apagado.
APLICACIONES DIDÁCTICAS DEL MODULO.
El principal objetivo del presente trabajo de tesis es proveer una herramienta útil para
posteriores demostraciones en el proceso de aprendizaje dentro del pénsum de estudios
de la Facultad de Ingeniería Eléctrica.
-109-
Considerando esto, a continuación se presentan las descripciones de los procedimientos
que se pueden seguir, como una alternativa para estas demostraciones. Se incluyen
también los tópicos que se introducen en el desarrollo de las mismas.
4.2.1 CONTROL DE NIVEL EN UN TANQUE.
OBJETIVO
Entrenar al estudiante en un sistema de control típico, mediante el empleo del sistema
de adquisición de datos LabVTEW.
PROCEDIMIENTO
1. Verifique la existencia de todos los conectores y tuberías necesarios para lograr el
funcionamiento del módulo didáctico en su configuración de un solo tanque.
2. Provea de la cantidad suficiente de agua en el tanque principal para el normal
desenvolvimiento del módulo.
3. Realice las conexiones necesarias de los sensores hacia el módulo de
acondicionamiento, así como de este hacia la tarjeta de adquisición de datos LabPC-1200.
4. Ejecute en el computador el programa de control de nivel de líquidos, y seleccione
el control en uno de los tanques.
5. De ser necesarias realice las calibraciones respectivas de acuerdo al trabajo de tesis.
6. Proceda a tomar mediciones y obtener conclusiones en base al funcionamiento del
módulo didáctico.
TEMAS INVOLUCRADOS
Instrumentación
Adquisición de datos
Control on/off
Programación en LabVCEW
4.2.2 CONTROL DE NIVEL EN TANQUES ACOPLADOS.
OBJETIVO
Mostrar al estudiante el funcionamiento de un sistema de control industrial, mediante el
empleo del sistema de adquisición de datos LabVLBW.
-110-
PROCEDIMIENTO
1. Verifique la existencia de todos los conectores y tuberías necesarios para lograr el
funcionamiento del módulo didáctico en su configuración de tanques acoplados.
2. Provea de la cantidad suficiente de agua en el tanque principal para el nonnal
desenvolvimiento del módulo.
3. Realice las conexiones necesarias de los sensores hacia el módul o de
acondicionamiento, así como de este hacia la tarjeta de adquisición de datos LabPC-1200.
4. Seleccione el nivel de acoplamiento que desee, retirando los tapones de caucho que
crea convenientes. Recuerde que dependiendo de esto se obtendrá la velocidad de
transferencia del agua de un tanque a otro.
5. Ejecute en el computador el programa de control de nivel de líquidos, y seleccione
el control en tanques acoplados.
6. De ser necesarias realice las calibraciones respectivas de acuerdo al trabajo de tesis.
7. Proceda a tomar mediciones y obtener conclusiones en base al funcionamiento del
módulo didáctico para distintos niveles de acoplamiento.
TEMAS INVOLUCRADOS
Instrumentación
Adquisición de datos
Control on/off
Programación en LabVIEW
Modelación de sistemas
4.2.3 ADQUISICIÓN DE DATOS POR COMPUTADORA
OBJETIVO
Habilitar al estudiante en el manejo de los sistemas de adquisición de datos, en base a
una aplicación generada en LabVIEW.
PROCEDIMIENTO
1. Verifique la existencia de todos los conectores y tuberías necesarios para lograr el
funcionamiento del módulo didáctico en cualquiera de sus configuraciones.
2. Provea de la cantidad suficiente de agua en el tanque principal para el normal
desenvolvimiento del módulo.
-111-
3. Realice las conexiones necesarias de los sensores hacia el módulo de
acondicionamiento, asi como de este hacia la tarjeta de adquisición de datos LabPC-1200.
4. Ejecute en el computador el programa de control de nivel de líquidos, y seleccione
el control en la configuración seleccionada.
5. De ser necesarias realice las calibraciones respectivas de acuerdo al trabajo de tesis.
6. Realice las mediciones de los voltajes en los terminales 1 y 2 del conector DB-9,
empleando un osciloscopio. De acuerdo a la ecuación empleada en la conversión de
voltaje a nivel y sus mediciones de voltaje calcule el nivel en el tanque.
7. Compare los valores calculados con los valores de nivel proporcionados por el
programa y obtenga sus conclusiones.
8. Observe con el osciloscopio la forma de onda de los terminales 14 y 15 del
conector DB-9, a la vez que manipula los controles virtuales de los acruadores y
justifique esta forma.
9. Ejecute aisladamente el archivo de conversión voltaje a nivel y realice las
mediciones de diferentes voltajes aplicados sobre los terminales 1 y 2 de tarjeta.
Recuerde que estos terminales son entradas y solo admiten voltajes entre O y 10 V.
10. Genere un programa sencillo de adquisición de datos en LabVIEW, en base al
archivo indicado y verifique su funcionamiento.
TEMAS INVOLUCRADOS
Instrumentación
Adquisición de datos
Programación en LabVIEW
Las anteriores son solo una muestra de la utilización que se le puede dar al módulo
didáctico, dependiendo del enfoque que se desee dar al aprendizaje se pueden encontrar
otras aplicaciones prácticas.
-112-
BIBLIOGRAFÍA
SENSORES Y ANALIZADORES. Harry H. Norton Colección Electrónica
informática. Editorial Gustavo Gilí S.A. 1984 Barcelona España
FÍSICA GENERAL. Francis Sear, Mark Zemansky. Editorial Aguilar SA 1971
Barcelona España.
CATALOGO DE INSTRUMENTACIÓN. National Instruments 1997 Barcelona,
España
SIMULACIÓN PARA MEDICIÓN DEL NIVEL DE LÍQUIDOS. Tesis de grado.
Guillermo Salgado. Escuela Politécnica Nacional. Quito, Ecuador. 1987
ELECTRÓNICA DE CIRCUITOS. RobertBoylestad. Editora Prentice-Hall 1992. Río
de Janeiro, Brasil
INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. Luis Corrales. Escuela Politécnica Nacional.
1998. Quito, Ecuador.
www.ing.puc.cy^ciauc/proyectononnas/Encuesta/paxamaguapolable.htai.
de calidad del agua potable
wvAv.natinst.comyiabview/index.htm. Información sobre LabVIEW.
Parámetros
ANEXO 1
National
Febaiaryl995
Semiconductor
2
oí
o
o
O
LM566C Voltage Controlled Oscillator
General Descrlption
The LM566CN la a general purpose voltage controlled osclllator whlch may be used to genérate square and triangular
wavea, the frequency of whlch te a very linear functton of a
control voltage. The frequency ¡s also a functlon of an external resistor and capacitor.
The LM566CN te specrfied for operation over the (TC to
+70*C temperatura range,
Features
• Wlde supply voltage range: 10V to 24V
• Very linear modulation cha ráete ristlcs
Connection Diagram
Dual-In-Une Package
•
•
•
•
Hígh tempera ture stablliíy
Excellent supply voltage rejection
10 to 1 frequency range with fixed capacitor
Frequency programmable by means of current, voltage,
resistor or capacitor
Applications
•
•
'•
•
•
o
D
^+
ñT
a
O
c/>
o
Typical Application
1 kHz and 10 kHzTTL Compatible
Voltage Controlled Oscillator
o ix co.u.iu
TL/H/T86J
O
O
FM modulation
Slgnal generation
Functlon generation
Frequency shift keylng
Tone generation
Ordftr Number LM566CN
S«« NS Packaga Number NOBE
x Caponton
(O
<D
i lS/Pitnl»d hU. S. A.
Absoluta Máximum Ratings
|f Mllltary/Aero»pac« *p«clfied d«vlce« ar» required,
please coptact th« National Semiconductor Sales
OHIce/Dlitrlbutor» for «vailabllity and spftclf [catión».
Power Supply Voltage
26V
Power Dlsslpatlon (Note 1)
1000 mW
Operatlng Temperatura Ranga, LM566CN
0*C to +70*C
Lead Temperature (Solderlng, 10 sec.)
+ 260*C
Electrlcal Characterlstlcs
Paramet«r
12V,TA - 25-c, ACTestcircuit
LM566C
Cond ilion»
Máximum Operatlng
Frequency
RO- 2k
CO - 2.7 pF
VCO Free-Runnlng
Frequency
CQ- 1.5 nF
RO- 20k
fo - 10 kHz
Input Voltage Rango Pin 5
Mln
Typ
0.5
1
-30
0
Supply Voltage Rejectlon
+ 30
10-20V
VCO SensItMty
For Pin 5, From
8-10V,f 0 - 10 kHz
FM Distortlon
0.1
±10% Deviaílon
2
0.5
1
6.0
6.6
7.2
0.2
1.5
Máximum Sweep Rate
%
ppm/*C
200
Input Impedance Pin 5
%/V
Mil
kHz/V
%
MHz
1
10:1
Sweep Ranga
Output Impedance
Pin 3
50
Pin 4
íl
Vp-p
RLI - iok
5.0
5.4
Triangle Wave Output Level
RL2 "* 10k
2.0
2.4
40
50
Square Wave Duty Cycle
Square Wave Rfee Time
11
50
Square Wave Output Level
Vp-p
60
50
+ 1V Segmenta!
ViVcc
%
0.5
Mote 1: Tho maxirTIU'n fjndxxi lompecature oí th« LU&66CN !» 150'C. For operotion at devalad junction
derated ba«ad on • thormal f«»kl«nca oí 115'C/W, ¡ursction lo írnWant
%
ns
ns
20
Square Wave Fall Time
Triangle Wave Unearlty
MHz
Vcc
%vcc
Average Temperature Coetflclent
of Operating Frequency
Unltc
Max
s, maxiaxm powor dissipatíon must be
Applications Information
The LM566CM may be operated (rom elther a single supply
as shown In thls test clrculí. or frorn a spüt (±) power supply. When operating from a spllt supply, the square wave
output (pin 3) ts TTL compatible (2 mA current slnk) wlth the
addltion of a 4.7 kll resistor from pin 3 to ground.
A 0.001 fiF capacitor fe connected beíween pins 5 and 6 to
prevent parasitlc osclllatíons that may occur during VCO
swltchlng.
f
TO ~
2.4(V+ ~ Vs)
T—
RO GO V
where
2K < RO < 20K
and V5 !s voltage between pin 5 and pin 1.
ANEXO 2
Novemberl994
National Semiconductor
O
•a
LM741 Operational Amplifier
<D
General Description
The LM741 series are general purpose Operational ampllfiers whlch (sature Improved performance ovar Industry standards Ilke the LM709. They ara direct. plug-In replacements
for the 709C, LM201, MC1439 and 748 In most appllcatlons.
Tha ampllfiers offer many íeatures whlch make thelr appllcation nearly íoolproofc overload protectlon on tha Input and
output, no latch-up when the common mode range Is exceedad, as well as freedom from osclllatlorts.
The LM741C/LM741E are Identlcal to the LM741/LM741A
except tnat the LM741C/LU741É nave thelr performance
guaranteed over a 0"C to +70*C temperature range, Instead of —55'C to +125*C.
3
o
3
SL
>
F*
T3
Schematic Dlagram
L
orrscr HUÍ-
«
r
.
x*
:«i
¿« .:u
<u
,5 OfTSCT
HUJ.
>HK: '\K
} }
1
?H
^(
^
S
-IK
113
M
r "
N.
^
I
,
* '50K
> 5K
:
)
K.^
'u
OffwtNullIng Circuit
OUTPUT
FWD-B30U11S/P(Vil«l h U, S. A.
Absolute Máximum Ratlngs
If Mllitary/Aerospaca sp«cifled d«vic»s ara required, pleas« contact the National Semiconductor Sale* Office/
Distributor* for availablllty »nd tp«clficatlon*.
(Note 5}
LM741A
LM741E
LM741
LM741C
Supply Voltage
± 22V
± 22V
± 22V
± 1 8V
Power Disslpatíon (Nota 1 }
500 mW
500 mW
500 mW
500 mW
Dirferential Input Voltage
±30V
±30V
±30V
±30V
Input Voltage (Note 2)
±15V
±15V
±15V
±15V
Output Short Circuit Duratlon
Contlnuous
Contlnuous
Contínuous
Contlnuous
Operatlng Temperature Range
-55'Cto + 125*C
0°C to + 70*C
-55*Cto + 125°C
CTCto +70*C
Storage Temperature Range
-65*Cto +15CTC
-65*Cto +150-C
-65'Cto +150*0
-65'Cto +150°C
Junction Temperatura
150°C
100-C
150*C
100*C
Soldering Information
N-Package(lOsecoods)
260*C
260*C
260^0
260*C
J-orH-Package(lOseconds)
300-C
300*C
300"C
300*C
M-Package
Vapor Phasa (60 seconds)
21 5*C
21 5*C
21 5'C
21 5*C
Infrared(l5seconds)
215'C
215'C
215'C
215'C
See AN-450 "Surface Mounting Methoda and Thelr Effect on Prodüct Rellablllt/' for other methods of soldering
surface mount óevlces.
ESD Tolerance (Note 6)
400V
400V
400V
400V
Eléctrica! Characteristics (Notes)
Parameter
Conditlon*
LM741A/LM741E
Mln
Input Offset Volta ge
Typ
Max
0.8
3.0
LM741
Min
TA - 25-c
RS <: 10 kn
RS ¿ 50Í1
LM741C
Typ
Max
1.0
5.0
Min
Units
Typ
Max
2.0
6.0
mV
mV
TAMIN ¿ TA £ TAMAX
RS £ 5011
4.0
R S S nokíi
6.0
Average Input Offset
Voltage Drift
15
Input Offset Voltage
Adjustment Hange
TA = 25*C,VS= ±20V
Input Offset Cu rrent
TA - 25-C
±15
3.0
Average Inpul Offset
Curren! Drift
30
Input Voltage Range
T A - 25-C,V s = ±20V
1.0
TAMIN ^ TA £ TAMAX.
V s = ±20V
20
200
70
85
500
80
500
20
mV
200
nA
300
nA
nA/'C
80
0.5
6.0
T A -25°C ( R u ^2kll
V S « ±20V,V 0 = ±15V
V s = ±15V,V 0 = ±10V
60
1.5
0.3
2.0
0.3
2.0
500
nA
0.8
íiA
Mil
Mil
TA - 25-c
±12
TAMIN ¿ TA ¿ TAUAx
Larga Sígnal Voltage Galn
30
0.210
TAMIN ^ TA ^ TAMAx
Input Resistance
±15
0.5
TA - 25-C
mV
mV
/iWC
±10
TAMIN ¿ TA £ TAMAX
Input Blas Current
7.5
±12
±13
50
200
±13
V
V
50
20
200
V/mV
V/mV
TAWIN ^ TA ¿ TAMAX.
RL i 2 kn,
V s - ±20V,V 0 - ±15V
Vs - ±15V,V 0 = ±10V
V s = ±5V,V0= ±2V
32
25
10
15
V/mV
V/mV
V/mV
XR4151
ANEXOS
Voltage-to-Frequency
Converter
March 1991-1
FEATURES
APPLICATIONS
•
Single Supply Operation (+8V to +22V)
• Voltage-to-Frequency Conversión
•
Pulse Output Compatible with AII Logic Forms
• A/D and D/A Conversión
•
Programmable Scale Factor (K)
• Data Transmission
Unearrty ±0.05% Typical-precision Mode
•
•
Frequency-to-Voltage Conversión
• Temperature Stabilíty ±100% ppm/°C Typical
• Transducer Interface
•
High Noise Rejection
•
•
Inherent Monotonicity
•
Easily Transmrttable Output
•
Simple Full Scale Trim
•
Single-Ended Input, Referenced to Ground
System Isolation
• Also Provides Frequency-to-Voitage Conversión
•
Direct Replacement for RC/RV/RM-4151
GENERAL DESCRIPTION
The XR4151 is a device designed to provide a simple,
low-cost method for convertíng a DC voltage ¡nto a
proportionai pulse repetition frequency. It is also capable
of converting an ¡nputfrequency ¡nto a proportional output
voltage. The XR4151 is usefui in a wide range of
applications incíuding A/D and D/A conversión and data
transmission.
ORDERING INFORMATION
Part No.
Package
Operating
Temperature Range
XR4151P
8 Lead 300 Mil PDIP
-40°Cto+85°C
XR4151CP
8 Lead 300 Mil PDIP
0°C to +70° C
XR4151MD
8 Lead 4.4mm EIAJ SOP
0°C to +70°C
BLOCKDIAGRAM
GND(7)
3) OUTL
RC
(5)
Figure 1. Block Diagram
Rev.2.11
©1999
EXAR Corporation, 48720 Kato Road, Fremont, CA 94538 «• (510) 668-7000 4- FAX (510) 668-7017
XR4151
ELECTRICAL CHARACTERISTICS
Test Conditíons: Vcc =15V, TA = +25°C, Unless Otherwise Specified
Parameter
Supply Current
XR4151MD.CP
XR4151P
Conversión Accuracy Scale Factor
XR-4151MD.GP
XR-4151P
Min.
Max.
Typ.
Unlt
2.0
2.0
2.0
6.0
7.5
7.4
3.5
4.5
4.5
mA
mA
mA
0,90
0.92
1.10
1.08
Conditíons
8V< V c c < 15V
15V< V C C <22V
15V<:V CC <22V
1.00
1.00
kHzA/
kHzA/
Circuit of Figure 2, Vpl OV
RS=14.0K
±100
ppm/°C
Circuit of Figure 2, Vpl OV
0.9
0.2
0.2
%/v
%/v
Circuit of Figure 2, V|=1 .OV
8V< V c c < 18V
Offset Voltage
10
5
mV
Offset Current
±100
±50
nA
Input Bias Current
-300
-100
nA
Vcc -3
0 to V cc
-2
V
0.70
0.667
xVCc
-500
-100
nA
0.5
0.15
V
Pin 5=2.2mA
Drift With Temperature
Drift With V cc
XR4151MD, CP
XR4151P
-0.9
Input Comparator
Common Mode Range1
0
One-Shot
Threshold Voltage, Pin 5
0.63
Input Bias Current, Pin 5
Reset VSAT
Current Source
138.7
MA
Pin1, VaO, RS=14.0kQ
2.5
1.0
MA
Pin1, V=OVtoV=10V
Oulput Current
Change With Voltage
50
0.15
nA
Pin1,V=OV
2.28
2.05
V
Pin 2
VSAT
0.50
0.15
V
Pin 3, 1=3.QmA
VSAT
0.30
0.10
V
Pin 3, 1=2.0mA
0.1
pA
Off Leakage
Reference Volíage
1.80
Logíc Output
Off Leakage
1,0
Notes
1 Input Common Mode Range ¡ncludes ground.
Bold face parameters are covered by production test and guaranteed over operating temperature range.
S pacifica tío na are subject to chango without no tice
XR4151
EX4R
Frequency-to-Voltage Conversión
The XR4151 can be used as a frequency~to-vo!tage
converter. Figure 4 shows the single-supply FVC
configuration. With no signa! applied, the resistor bias
networks tied to pins 6 and 7 hold the input comparator ¡n
the off state. A negative going pulse appiied to pin 6 (or
pos'rtive pulseto pin 7) will causethe comparatortofirethe
one-shot. For proper operation, the pulse width must be
lessthantheperiodoftheone-shot, T = 1.1 R0C0. For a
5Vpp square-wave input the differentiator network
formed by the input coupling capacitor and the resistor
bias network will provide pulses which correctly trigger
the one-shot. An extemal voftage comparator can be
used to "square-up" sinusoidal input signáis before they
are appiied ío the XR4151. Also, the component valúes
íorthe ¡nput signa! differentiator and bias network can be
aftered to accommodate square waves with dífferent
amplitudes and frequencies. The passive ¡ntegrator
network RE^B fiiters the current pulses from the pin 1
output. For less output ripple, increase the valué of CB.
For increased accuracy and linearity, use an operational
amplifier integrator as shown in Figure 5, the precisión
FVC configuration. Trim the offset to give -1 OmV out with
lOHz in and trim the full scale adjust for -10V out with
10kHz in. input signal conditioning for this circuit is
necessary just asforthe single supply mode andíhe scale
factor can be programmed by the choice of component
valúes. A tradeoff exists between the amount of output
ripple and the response time, through the choice or
integration capacitor C-j. If C1 = 0.1 ^F íhe ripple will be
about 10OmV. Response time constanttR = RBCj. For RB
=, T;R= 10msec.
Pulse
O
Output
5V P-P Square
\y Input
Voltage Output
<y0
UptolQV
Desjgn Equaiions
V0=-f!/K,WhereK=0.4S6
T=1.1-R 0 /C D
Figure 4. Frequency to Voltage Converter